Cette mission ouvrira la voie à des observations révolutionnaires de tout, des réserves de pétrole aux fournitures mondiales d'eau douce.
Des chercheurs du Laboratoire de propulsion de Jet de la NASA dans le sud de la Californie, des entreprises privées et des établissements universitaires développent le premier capteur quantique basé sur l'espace pour mesurer la gravité. Soutenu par la Terre Science Technology Office (ESTO) de la NASA, cette mission marquera une première pour la détection quantique et ouvrira la voie à des observations révolutionnaires de tout, des réserves de pétrole aux fournitures mondiales d'eau douce.
Le champ gravitationnel de la Terre est dynamique, changeant chaque jour alors que les processus géologiques redistribuent la masse sur la surface de notre planète. Plus la masse est grande, plus la gravité est grande.
Vous ne remarqueriez pas ces changements subtils de gravité au fur et à mesure de votre journée, mais avec des outils sensibles appelés gravalités, les scientifiques peuvent cartographier les nuances du champ gravitationnel de la Terre et les corréler aux caractéristiques souterraines comme les aquifères et les dépôts minéraux. Ces cartes de gravité sont essentielles pour la navigation, la gestion des ressources et la sécurité nationale.
« Nous pourrions déterminer la masse de l'Himalaya en utilisant des atomes », a déclaré Jason Hyon, technologue en chef de la science de la Terre chez JPL et directeur du Quantum Space Innovation Center de JPL. Hyon et ses collègues ont présenté les concepts derrière leur instrument de Gradiomètre de gravité quantique (QGGPF) dans un article récent de la technologie quantique EPJ.
Les gradomètres de gravité suivent la vitesse à laquelle un objet en un endroit tombe par rapport à un objet tombant à une courte distance. La différence d'accélération entre ces deux objets de chutes libres, également connu sous le nom de masses de test, correspond à des différences de résistance gravitationnelle. Les masses de test tombent plus rapidement là où la gravité est plus forte.
QGGPF utilisera deux nuages d'atomes de rubidium ultra-froid comme masses d'essai. Refroidissements à une température près de zéro absolu, les particules de ces nuages se comportent comme des vagues. Le gradomètre de gravité quantique mesurera la différence d'accélération entre ces ondes de matière pour localiser les anomalies gravitationnelles.
L'utilisation de nuages d'atomes ultra-froids comme masses d'essai est idéal pour garantir que les mesures de gravité en base d'espace restent précises sur de longues périodes, a expliqué Sheng-Wey Chiow, un physicien expérimental chez JPL. « Avec les atomes, je peux garantir que chaque mesure sera la même. Nous sommes moins sensibles aux effets environnementaux. »
L'utilisation d'atomes comme masses d'essai permet également de mesurer la gravité avec un instrument compact à bord d'un seul vaisseau spatial. QGGPF sera d'environ 0,3 verges cubes (0,25 mètre cube) en volume et ne pèse qu'environ 275 livres (125 kilogrammes), plus petits et plus légers que les instruments de gravité spatiaux traditionnels.
Les capteurs quantiques ont également un potentiel de sensibilité accrue. Selon certaines estimations, un instrument de gradomètre quantique de qualité scientifique pourrait être jusqu'à 10 fois plus sensible à la mesure de la gravité que les capteurs classiques.
L'objectif principal de cette mission de validation technologique, prévu pour lancer vers la fin de la décennie, sera de tester une collection de nouvelles technologies pour manipuler les interactions entre la lumière et la matière à l'échelle atomique.
« Personne n'a encore essayé de piloter l'un de ces instruments », a déclaré Ben Stray, chercheur postdoctoral chez JPL. « Nous devons le piloter afin que nous puissions comprendre à quel point il fonctionnera, et cela nous permettra non seulement de faire progresser le gravity quantique, mais aussi de technologie quantique en général. »
Ce projet de développement technologique implique des collaborations importantes entre la NASA et les petites entreprises. L'équipe de JPL travaille avec Aosense et Fleqtion pour faire avancer la technologie de tête du capteur, tandis que le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland travaille avec Vector Atomic pour faire progresser le système optique laser.
En fin de compte, les innovations réalisées au cours de cette mission Pathfinder pourraient améliorer notre capacité à étudier la Terre, et notre capacité à comprendre les planètes éloignées et le rôle que la gravité joue dans la formation du cosmos. « L'instrument QGGPF conduira à des applications de science planétaire et à des applications de physique fondamentale », a déclaré Hyon.
