Investigação da NASA prepara-se para acertar o relógio e melhorar exploração espacial

A necessidade de uma cronometragem cada vez mais precisa é a razão pela qual três equipas da NASA, apoiadas pelo programa de Investigação e Desenvolvimento Interno do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA, em Greenbelt, Maryland, EUA, estão a aperfeiçoar a precisão e a sincronização de relógios com tecnologias inovadoras.

As equipas estão a trabalhar para levar a cronometragem da exploração espacial a novos níveis de precisão. Afinal, as funções cruciais das naves espaciais precisam de uma precisão de um bilionésimo de segundo ou menos. As tecnologias de cronometragem desbloqueadas por estas equipas poderão permitir novas descobertas no sistema solar e não só.

Uma das equipas está a desenvolver técnicas de sincronização de relógios quânticos altamente precisos para ajudar na comunicação e na navegação. Uma segunda equipa quer empregar a técnica de sincronização de relógios em plataformas espaciais para que os telescópios funcionem como um enorme observatório. A terceira está a criar um relógio atómico para naves espaciais baseado no estrôncio, um elemento químico metálico, que permitirá observações científicas que não são possíveis com a tecnologia atual.

O trabalho no protocolo de sincronização de relógios quânticos tem lugar neste laboratório do Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland. créditos: NASA/Matthew Kaufman

Relógios quânticos para ajudar na comunicação e navegação

A NASA utiliza a sincronização de relógios para determinar a posição das naves espaciais e para desenhar os parâmetros de navegação, explica Alejandro Rodriguez Perez, um investigador no centro Goddard.

Se alinharmos dois relógios e os sincronizarmos, é de esperar que tenham o mesmo ritmo para sempre. Na realidade, quanto mais tempo passa, mais dessincronizados ficam os relógios, especialmente se esses relógios estiverem numa nave espacial que viaja a dezenas de milhares de quilómetros por hora. Rodriguez Perez procura desenvolver uma nova forma de sincronizar com precisão esses relógios e de os manter sincronizados utilizando tecnologia quântica.

Na física quântica, duas partículas estão entrelaçadas quando se comportam como um único objeto e ocupam dois estados ao mesmo tempo. Para os relógios, a aplicação de protocolos quânticos a fotões entrelaçado poderia permitir uma forma precisa e segura de sincronizar relógios a longas distâncias.

A sincronização de relógios é atualmente feita com recurso ao GPS, mas o novo protocolo poderá tornar possível sincronizar com precisão os relógios em locais onde o acesso ao GPS é limitado, como a Lua ou o espaço profundo.

Veja na galeria imagens das observações do buraco negro no centro da nossa galáxia, feito pelo do Event Horizon Telescope (EHT):

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Fazer com que um conjunto de telescópios funcione como um enorme observatório

Em astronomia, normalmente, quanto maior o telescópio, melhores as suas imagens. “Hipoteticamente, se tivéssemos um telescópio do tamanho da Terra, poderíamos ter imagens do espaço com uma resolução incrível, mas é obviamente, não muito prático”, assegura Guan Yang, um físico ótico no centro Goddard da NASA. “O que podemos fazer, no entanto, é ter vários telescópios em vários locais e fazer com que cada telescópio registe o sinal com grande precisão temporal. Depois podemos juntar as suas observações e produzir uma imagem de altíssima resolução”.

A ideia de associar as observações de uma rede de telescópios pequenos para conseguir a potência de um telescópio maior chama-se interferometria de linha de base muito longa (VLBI), explica a NASA. Para que o VLBI produza um todo maior do que a soma das suas partes, os telescópios precisam de relógios de alta precisão.

Como os telescópios registam os dados juntamente, com as marcas temporais de quando os dados foram registados, os computadores de alta potência podem reunir todos os dados numa só observação completa, com mais pormenores do que qualquer um dos telescópios poderia conseguir por si.

Foi esta técnica que permitiu à rede de observatórios do Event Horizon Telescope (EHT) produzir a primeira imagem de um buraco negro no centro da nossa galáxia. A equipa de Guan Yang está a desenvolver uma tecnologia de relógio que poderá ser útil para missões que pretendam levar a técnica da Terra para o espaço, o que poderá permitir muitas mais descobertas.

O Relógio Ótico Atómico de Iões de Estrôncio é um relógio atómico de alta precisão, suficientemente pequeno para caber numa nave espacial. créditos: NASA/Matthew Kaufman

Novo relógio atómico baseado em estrôncio para sincronização de ultra-alta-precisão

A terceira e última investigação está a desenvolver um relógio atómico para naves espaciais baseado no estrôncio, para permitir observações científicas que não são possíveis com a tecnologia atual. Hoje, os sistemas de navegação de naves espaciais dependem de relógios atómicos a bordo para obter a hora mais exata possível. No entanto, podem melhorar.

Holly Leopardi, física no centro Goddard da NASA, e a sua equipa estão a tentar desenvolver um relógio ótico de iões de estrôncio atómico (OASIC) pronto-a-usar em naves espaciais que, ao utilizar frequências óticas, proporciona maior precisão.

“As frequências óticas oscilam muito mais rapidamente do que as frequências de micro-ondas, pelo que podemos ter uma resolução muito mais fina das contagens e uma cronometragem mais precisa”, explicou Holli Leopardi.

A tecnologia OASIC é cerca de 100 vezes mais precisa do que o anterior estado da arte em relógios atómicos para naves espaciais. Quando se utilizam estes relógios de ultra-alta-precisão, podemos começar a observar as alterações físicas fundamentais que ocorrem no espaço”, acrescentou, o que ” pode ajudar-nos a compreender melhor os mecanismos do nosso universo”.