ESA: nel 2014 un orologio nello spazio

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L’Agenzia Spaziale Europea ha annunciato che nel 2014 la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) ospiterà il più preciso orologio mai spedito nello spazio, dando inizio all’esperimento chiamato Atomic Clock Ensemble in Space (ACES), che sarà condotto dalla compagnia EADS Astrium. Il sofisticato strumento è un orologio atomico, in grado di misurare il tempo registrando la frequenza di microonde assorbite da atomi di cesio raffreddati con un laser. 

Gli orologi atomici funzionano in base al principio della frequenza di risonanza degli atomi. Ogni atomo è infatti in grado di assorbire selettivamente alcune frequenze dello spettro elettromagnetico (l’insieme di tutti i colori della luce, all’interno del quale quelli visibili rappresentano solo una piccolissima parte), ma solo una è in grado di consentire l’eccitazione degli elettroni che vengono dunque promossi ad un livello energetico superiore: tale frequenza è detta frequenza di risonanza. Quando poi essi ritornano al livello energetico precedente, emettono nuovamente la luce assorbita, di intensità inferiore se l’irradiazione non aveva centrato la frequenza di risonanza. 

Il gas ionizzato, quasi sempre di atomi di cesio perché questo è alla base della definizione di secondo, è posto in una cavità risonante, è raffreddato per rendere il moto delle particelle più lento, ed è bombardato da un maser, l’equivalente del laser ma con frequenze irradianti nel range delle microonde.

Accoppiato a questo, c’è un sistema di irradiazione di onde radio e, quando la frequenza radio coincide con quella di risonanza, gli elettroni degli atomi saltano al livello energetico superiore. Rientrando quindi a quello precedente, riemettono l’energia sotto forma di luce. Il risultato di questo processo è un’oscillazione del generatore di microonde secondo le precisissime caratteristiche energetiche del cesio.

Una fotocellula rileva se la frequenza irradiante è quella di risonanza, in quanto, in caso contrario, la luce emessa è di intensità inferiore. Se questo avviene, un circuito la riporta al valore corretto. Infine un contatore conta i cicli di eccitazione-emissione e li invia ad un computer. Il secondo, unità di misura del tempo nel Sistema Internazionale, è definito, in particolare, come il tempo necessario affinché si compiano 9.192.631.770 cicli di transizione tra due specifici livelli energetici del cesio. 

Lo strumento sopra descritto, sulla Terra, è limitato dalla presenza della forza di gravità, in assenza della quale gli atomi restano per un tempo maggiore nella cavità, consentendo misure più accurate. Per questo l’orologio che sarà spedito sulla Stazione Spaziale Internazionale sarà circa 100 volte più affidabile degli analoghi sul nostro pianeta, come spiega John Prestage del Jet Propulsion Laboratory della NASA in Pasadena (California, USA), che non è coinvolto nel progetto.  

Oltre ad essere l’orologio più preciso dell’Universo, l’apparecchio potrà dare un fondamentale contributo alla fisica perché, proprio per il principio di funzionamento su cui si basa, è in grado di dimostrare se la costante chiamata alfa, che governa l’intensità del campo elettromagnetico, è realmente costante.

Tale numero, che dipende a sua volta dalla velocità della luce e da altre costanti legate alla propagazione della luce stessa, definisce più precisamente la forza con cui una particella carica interagisce con il campo elettromagnetico, se ad esempio assorbe o emette fotoni, le particelle che compongono la luce, ed è dunque anche una misura dell’interazione tra elettroni e fotoni. Se tale valore risulterà diverso al trascorrere dei cicli assorbimento-emissione del cesio, chissà che non dovremo riscrivere alcune parti della fisica collegate alla natura dell’Universo.

Roberta De Carolis

Fonte foto: http://www.pcdistrict.com/

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