Atom Saati ve Derin Uzay Atom Saati Hakkında 

Atom saati nedir, atom saati nasıl çalışır? İnsanlığın zamanı nasıl ölçtüğü tarih boyu önem arz etmiştir ve çeşitli kültürler çeşitli takvimler geliştirmişlerdir. Bunların kimisi Güneş’e dayandırılmış kimisi Ay’ın hareketlerine… Bu yazımızda çok daha bağımsız bir zaman ölçme sisteminden söz ediyoruz. Atom Saati ve Derin Uzay Atom Saati? Nedir Atom saati ve Derin Uzay Saati?

Neredeyse bilim kurgudan çıkmış bir şeye ya da seçkin bir fizik laboratuvarıyla sınırlı bir deneye benziyorlar değil mi şu atom saatleri. Oysa 1950'lerden beri şu ya da bu şekilde ortalıktalar. Ancak bu saatler yakın gelecekte de evinize gelmeyecek zira hala fiziksel olarak pratik kullanıma sahip değiller.

Sözlükte atom saati, atomların titreşimlerini aşırı doğruluk payıyla ölçen cihaz olarak ifade edilir. Atom saatleri saniyede 9.192.631.770 devirlik tutarlı bir frekansta salınan sezyum-133 gibi atomların rezonans frekanslarını kullanır ve bu da onları ölçümleme için son derece doğru kılar.

Sarkaçlı veya kuvars saatlerin aksine atom saatleri, üretim toleranslarından veya sıcaklık gibi çevresel faktörlerden etkilenmez. Doğal olarak sarkaçlı mekanik saatlerle kuvars saatler hassasiyet gerektiren bilimsel araştırmalarda kullanılmazlar. Ancak atom saatleri öyle değildir en doğru saatin geç kalma payı 30 milyar yılda belki bir saniye bile değildir.

O halde genel saat kavramıyla başlayalım. Saatin görevi zamanın geçişini takip etmektir. Tüm saatler bunu bir "rezonatörün" "tik taklarını" sayarak yapar.

Sarkaçlı bir saatte rezonatör bir sarkaçtır ve saatteki dişliler sarkacın rezonanslarını (ileri geri salınımları) sayarak zamanı takip eder. Sarkaç genellikle saniyede bir salınım frekansında rezonansa girer. Dijital bir saat, ya güç hattındaki salınımları (Amerika Birleşik Devletleri'nde saniyede 60 döngü, Avrupa'da saniyede 50 döngü) ya da rezonatör olarak bir kuvars kristalinin salınımlarını kullanır ve dijital sayaçları kullanarak sayar. Saatin doğruluğu, rezonatörün belirtilen frekanstaki doğruluğu ile belirlenir.

Atom saati, atomların rezonans frekanslarını rezonatör olarak kullanan bir saattir. Encyclopedia Britannica'ya göre rezonatör, "bir atomun veya molekülün kuantum geçişi (enerji değişimi) tarafından yayılan veya emilen mikrodalga elektromanyetik radyasyonun frekansı tarafından düzenlenir."

Bu yaklaşımın avantajı atomların son derece tutarlı frekanslarda rezonansa girmesidir. Herhangi bir sezyum atomunu alıp rezonansa girmesini isterseniz, diğer herhangi bir sezyum atomuyla tamamen aynı frekansta rezonansa girecektir. Sezyum-133 saniyede 9.192.631.770 devirle salınır. Bu tür bir doğruluk, kuvars saatin doğruluğundan tamamen farklıdır. Bir kuvars saatinde kuvars kristali, salınım frekansı bazı standart frekanslara yakın olacak şekilde üretilir; ancak üretim toleransları her kristalin biraz farklı olmasına neden olur ve sıcaklık gibi şeyler frekansı değiştirir. Bir sezyum atomu her zaman bilinen aynı frekansta rezonansa girer; atom saatlerini bu kadar hassas kılan da budur.

Derin Uzay Atom Saati Nedir?

Şimdi NASA’nın Pasadana’da bulunan Jet İtki (itici güç) Laboratuvarı’nda geliştirdiği Deep Space Atomic Clock (Derin Uzay Atom Saati) uydulara yerleştirilmiş ciddi bir şekilde geliştirilmiş bir atom saatidir. Örneğin telefonunuzdaki GPS’i aktif hale getirebilir.

Sonuçta bu yeni teknoloji, uzay aracının Mars gibi uzak yerlere navigasyonunu daha otonom hale getirebilir. Peki atom saati nedir? Uzay navigasyonunda nasıl kullanılıyorlar ve Derin Uzay Atom Saatini farklı kılan şey nedir? Tüm cevapları almak için okumaya devam edin.

Uzayda Yol Alırken Neden Saatleri Kullanıyoruz?

Bir uzay aracının Dünya'ya olan mesafesini belirlemek için, gezginler uzay aracına bir sinyal gönderir ve daha sonra onu Dünya'ya geri gönderir. Sinyalin bu iki yönlü yolculuğu yapması için gereken süre, uzay aracının Dünya'ya olan mesafesini ortaya çıkarır çünkü sinyal çok iyi bildiğimiz bir hızla (ışık hızı) hareket eder.

Kulağa karmaşık gelse de çoğumuz bu kavramı her gün kullanıyoruz. Bir mağaza, evinize 30 dakikalık yürüme mesafesinde olabilir. 20 dakikada yaklaşık iki kilometre yürüyebileceğinizi biliyorsanız mağazaya olan mesafeyi hesaplayabilirsiniz.

Gezginler, birden fazla sinyal göndererek ve zaman içinde birçok ölçüm alarak bir uzay aracının yörüngesini (nerede olduğunu ve nereye gittiğini) hesaplayabilir.

Kol saatlerinden uydularda kullanılanlara kadar modern saatlerin çoğu, zamanı kuvars kristalli bir osilatör kullanarak ölçer. Bu cihazlar, kuvars kristallerinin, üzerlerine voltaj uygulandığında kesin bir frekansta titreşmesinden yararlanır. Kristalin titreşimleri, duvar saatinin sarkacı gibi hareket ederek bize iki tepe noktası arasında ne kadar zaman geçtiğini gösterir.

Uzay aracının bir metre içindeki konumunu bilmek için, gezginlerin hassas zaman çözünürlüğüne sahip saatlere, yani saniyenin milyarda birini ölçebilen saatlere ihtiyacı vardır.

Gezginlerin ayrıca son derece kararlı saatlere ihtiyacı vardır. “Kararlılık”, bir saatin bir zaman birimini ne kadar tutarlı ölçtüğünü ifade eder; Örneğin bir saniyenin uzunluğunun ölçümünün günler ve haftalar boyunca aynı (saniyenin milyarda birinden daha iyi) olması gerekir.

Atomlarla Saatler Arasındaki İlişki Nedir?

Uzay navigasyon standartlarına göre kuvars kristal saatler pek kararlı değildir. En iyi kuvars osilatörlü saatler sadece bir saat sonra, 1 nanosaniye (saniyenin milyarda biri) kadar kesintiye uğrayabilir. 6 Hafta sonra, tam 1 milisaniye (saniyenin binde biri) veya 300 kilometre (185 mil) mesafe hatasıyla yanlış olabilirler. Bunun, hızlı hareket eden bir uzay aracının konumunun ölçülmesinde büyük etkisi olacaktır.

Atomik saatler, daha fazla kararlılık elde etmek için kuvars kristal osilatörünü bir atom topluluğuyla birleştirir. NASA'nın Derin Uzay Atom Saati, dört gün sonra bir nanosaniyeden daha az, 10 yıl sonra ise bir mikrosaniyeden (saniyenin milyonda biri) daha az bir süreli bir hata yapacak. Bu, her 10 milyon yılda bir saniyelik eksikliğe eşdeğerdir.

Atomlar, elektronlarla çevrelenmiş bir çekirdekten (proton ve nötronlardan oluşan) oluşur. Periyodik tablodaki her element, çekirdeğinde belirli sayıda proton bulunan bir atomu temsil eder. Çekirdeğin etrafında dolaşan elektronların sayısı değişebilir, ancak bunların sönük enerji seviyelerini veya yörüngeleri kaplamaları gerekir.

Mikrodalga formundaki bir enerji sarsıntısı, bir elektronun çekirdeğin etrafında daha yüksek bir yörüngeye yükselmesine neden olabilir. Elektronun bu sıçramayı yapabilmesi için tam olarak doğru miktarda enerji alması gerekir; yani mikrodalganın çok özel bir frekansta olması gerekir.

Elektronların yörüngelerini değiştirmesini sağlamak için gereken enerji, her elementte farklıdır ve belirli bir elementin tüm atomları için evrenin her yerinde aynıdır. Örneğin bir karbon atomundaki elektronların enerji seviyelerini değiştirmesi için gerekli frekans, evrendeki her karbon atomu için aynıdır. Derin Uzay Atom Saati cıva atomlarını kullanır; bu elektronların yörünge seviyesini değiştirmesini sağlamak için farklı bir frekans gereklidir ve bu frekans tüm cıva atomları için tutarlıdır.

JPL'den atom saati fizikçisi Eric Burt,a göre;

"Bu yörüngeler arasındaki enerji farkının bu kadar kesin ve istikrarlı bir değer olması, atom saatlerinin gerçekten temel bileşenidir. Atom saatlerinin mekanik saatlerin ötesinde bir performans seviyesine ulaşabilmesinin nedeni budur."

Belirli bir atomdaki bu değişmez frekansı ölçebilmek, bilime evrensel, standartlaştırılmış bir zaman ölçümü sunar. (“Frekans”, belirli bir zaman biriminde uzayda belirli bir noktadan geçen dalgaların sayısını ifade eder. Yani dalgaları sayarak zamanı ölçmek mümkündür.) Aslında bir saniyenin uzunluğunun resmi ölçümü şu şekildedir: elektronların bir sezyum atomundaki iki spesifik enerji seviyesi arasında geçiş yapmasını sağlamak için gereken frekansla belirlenir.

Bir atom saatinde, kuvars osilatörün frekansı, bir dizi atoma uygulanan bir frekansa dönüştürülür. Türetilen frekansın doğru olması atomlardaki birçok elektronun enerji seviyelerinin değişmesine neden olacaktır. Frekans yanlışsa çok daha az sayıda elektron atlayacaktır. Bu, kuvars osilatörün frekans dışı olup olmadığını ve ne kadar sapma olduğunu belirleyecektir. Atomlar tarafından belirlenen bir "düzeltme" daha sonra kuvars osilatöre uygulanarak onu doğru frekansa geri döndürebilir. Bu tür bir düzeltme, Derin Uzay Atom Saati'nde birkaç saniyede bir hesaplanır ve kuvars osilatörüne uygulanır.

Derin Uzay Atom Saati'nin Eşsiz Yanı Nedir?

Atomik saatler, Dünya'nın yörüngesindeki GPS uydularında kullanılıyor, ancak saatlerin doğal kaymasını düzeltmek için onlara bile günde iki kez güncelleme gönderilmesi gerekiyor. Bu güncellemeler, yerdeki büyük (çoğunlukla buzdolabı boyutunda) ve uzaya fiziksel nedenlerle gönderilemeyen daha kararlı atom saatlerince gerçekleştiriliyor.

GPS uydularındaki atom saatlerinden 50 kata kadar daha kararlı olan NASA'nın Derin Uzay Atom Saati'nin, şimdiye kadar uzayda uçmuş en kararlı atom saati olması amaçlanıyor. Bu kararlılık cıva iyonları kullanılarak elde edilir.

İyonlar elektriksel olarak nötr olmak yerine net elektrik yüküne sahip olan atomlardır. Herhangi bir atom saatinde, atomlar bir vakum odasında bulunur ve bu saatlerin bazılarında atomlar, vakum odası duvarlarıyla etkileşime girer. Sıcaklık gibi çevresel değişiklikler atomlarda da benzer değişikliklere neden olacak ve frekans hatalarına yol açacaktır. Çoğu atom saati nötr atomlar kullanır, ancak cıva iyonları elektrik yüküne sahip olduğundan, bu etkileşimin gerçekleşmesini önlemek için elektromanyetik bir "tuzak" içinde tutulur ve Derin Uzay Atomik Saatinin yeni bir hassasiyet düzeyine ulaşmasını sağlar.

Mars veya diğer gezegenler gibi uzak hedeflere giden görevler için bu tür bir hassasiyet, Dünya ile minimum iletişimle otonom navigasyonu mümkün kılıyor; bu, uzay araçlarının şu anda nasıl yönlendirildiği konusunda büyük bir gelişmedir.

Levent Aslan

12 Mayıs 2024

Kaynak : NASA, Popularmechanics