Bản in

Khoa học

Thứ Năm, 8/8/2019 15:10

Đồng hồ siêu chính xác bay vào vũ trụ

Đồng hồ nguyên tử vũ trụ DSAC có tính chính xác và ổn định rất caoĐồng hồ nguyên tử vũ trụ DSAC có tính chính xác và ổn định rất cao

GD&TĐ - Chiếc đồng hồ siêu chính xác, không lệ thuộc các thiết bị đo khác trên Trái đất, đã được đưa vào vũ trụ.

Đồng hồ nguyên tử vũ trụ Deep Space Atomic Clock (DSAC), thể hiện tính chính xác và ổn định rất cao. Bí mật của nó nằm ở việc sử dụng i-on thủy ngân. Các kỹ sư và các nhà vật lý ở Phòng thí nghiệm phản lực JPL của NASA đã chế tạo chiếc đồng hồ này. Họ nhấn mạnh, đồng hồ DSAC “chính xác gấp 50 lần so với thiết bị đo thời gian nhờ định vị toàn cầu GPS”.

Những đồng hồ nguyên tử trên Trái đất, có độ lớn bằng chiếc tủ lạnh, trở nên quá cồng kềnh và thiếu chắc chắn để có thể đưa vào vũ trụ. Trong khi đó, DSAC, theo xác nhận của NASA, lại “không lớn hơn chiếc máy nướng bánh mì dùng trong gia đình”.

Hiện nay, đồng hồ nguyên tử trên Trái đất xác định vị trí các tàu vũ trụ bằng cách đo khoảng thời gian trôi qua giữa thời điểm gửi tín hiệu đi và thời điểm tín hiệu quay trở về sau khi phản xạ từ đối tượng cần xác định vị trí. Đây cũng là nguyên tắc hoạt động của thiết bị định vị toàn cầu GPS. Khoảng cách giữa điểm phát tín hiệu và đối tượng cần xác định vị trí càng lớn, thì biên độ sai số càng lớn.

Trong bối cảnh đó, thậm chí một lỗi rất nhỏ cũng có thể gây ra hậu quả rất lớn. Đối với trường hợp đổ bộ lên sao Hỏa sau nhiều tháng bay, điều đó đồng nghĩa với việc có thể xảy ra sự cố tại một nơi rất xa so với vị trí đổ bộ dự định ban đầu.

Sai số của đồng hồ nguyên tử mới DSAC là dưới 1 nano giây trong 10 ngày, có nghĩa là trong 10 triệu năm đồng hồ này mới sai 1 giây.

Các nhà khoa học đã tạo được sự chính xác cao như trên bằng cách nào? Quy tắc hoạt động của đồng hồ nguyên tử dựa trên sự khác biệt giữa các mức năng lượng trong nguyên tử, đo bằng tần số sóng.

Tần số này là đặc trưng đối với mỗi nguyên tố và không đổi trong vũ trụ. Chẳng hạn một giây được định nghĩa dựa trên tần số của bức xạ điện từ do nguyên tử Caesium (Cs) phát ra khi chuyển trạng thái từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao.

Vấn đề là ở chỗ kết quả đo tần số này thay đổi tùy thuộc vào va chạm các nguyên tử với nhau. Để tránh hiện tượng này và làm chậm các nguyên từ, cần hạ nhiệt độ và áp suất xuống mức thấp nhất có thể. Chính vì vậy mà những đồng hồ nguyên tử chính xác nhất ngày nay đều dựa trên các nguyên tử được làm lạnh đến nhiệt độ gần độ không tuyệt đối (- 273,15 độ C). Tuy nhiên, việc đó cũng không giải quyết được vấn đề va chạm nguyên tử, bởi vì các nguyên tử va chạm cả với thành của bình chứa.

Chính ở chỗ này xuất hiện sự đổi mới căn bản của DSAC: Thay cho nguyên tử thuỷ ngân, các nhà khoa học sử dụng các i-on có điện tích dương. Nếu như các thành của bình chứa mang điện tích dương thì chúng sẽ đẩy các i-on ra - bằng cách này, các i-on bị hạn chế; chúng ở bên trong bình chứa nhưng không va chạm với thành bình.

DSAC sẽ trải qua một năm thử nghiệm trên khoang vệ tinh nhân tạo OTB-1. Nếu mọi việc diễn ra tốt đẹp, các tàu vũ trụ tương lai của NASA sẽ được trang bị đồng hồ nguyên tử DSAC.

Hiện tại, đồng hồ nguyên tử chính xác nhất là thiết bị được Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Mỹ chế tạo năm 2018: Nó đo thời gian với sai số 1 giây trong 14 tỷ năm (chạy 14 tỷ năm mới sai 1 giây).

Tuấn Sơn

Tin tiêu điểm