Atom Saati Nedir? GPS Uydularının ve Uzay Araçlarının Çalışması İçin Neden Atom Saatleri Gerekir?

Atom saati, frekans standardı olarak mikrodalga ışınlardaki hiper-hassas geçiş frekanslarını veya elektromanyetik spektrumun optik/ultraviyole bölgesindeki elektron geçiş frekansını kullanan, yeryüzündeki en hassas zaman ölçüm aletleridir. Bu hassas saatler, uluslararası saat dağılımı hizmetlerinde standart olarak, televizyon yayınlarında dalga frekanslarının ayarlanmasında ve GPS gibi küresel navigasyon uydu sistemlerinde kullanılır.

Ulusal standart ajansları, daha da hassas ölçümlere ulaşmak için, birbiriyle ilişkili birden fazla atomik saati senkronize bir şekilde kullanırlar. Bu sayede Dünya'daki atom saatlerinin hata payı, günde 1 nanosaniyeden az olacak düzeydedir. Bu saatler bir araya gelerek, Uluslararası Atomik Saat adı verilen süreğen ve stabil bir zaman ölçüsü sağlarlar.

Bu tür saatlerin uzay görevlerinde kullanılma nedeni ise şudur: Navigatörler, bir uzay aracının Dünya'dan uzaklığını belirlemek için uzay aracına sonradan Dünya’ya geri dönen bir sinyal gönderirler. Sinyalin bu iki yönlü yolculuğu yapması için gereken süre, uzay aracının Dünya'dan uzaklığını belirtir; çünkü sinyal, bilinen bir hızda (ışık hızında) ilerler.

Kulağa ilk etapta karmaşık gelse de, çoğumuz bu yöntemi her gün kullanıyoruz. Market, evinizden 30 dakikalık yürüme mesafesinde olabilir. 20 dakikada yaklaşık bir 1.5 kilometre yürüyebileceğinizi biliyorsanız, dükkana olan mesafeyi hesaplayabilirsiniz. Navigatörler de Dünya'ya birden fazla sinyal göndererek ve zaman içinde birçok ölçüm alarak, bir uzay aracının yörüngesini, nerede bulunduğunu ve nereye gideceğini hesaplayabilir:

Kol saatlerinden uydularda kullanılanlara kadar çoğu modern saat, kuvars kristal osilatörler kullanarak zamanı gösterir. Bu cihazlar, kendilerine voltaj uygulandığında kuvars kristallerinin son derece sabit bir frekansta titreşmesinden yararlanır. Kristalin titreşimleri, dedelerinizin evinde görmüş olabileceğiniz devasa saatlerin sarkacı gibi hareket ederek, ne kadar zamanın geçtiğini gösterir.

Uzay aracının bir metre içindeki konumunu bilmek için, navigatörlerin hassas zaman çözünürlüğüne sahip saatlere, yani saniyenin milyarda birini ölçebilen saatlere ihtiyacı var. Aynı zamanda son derece "sabit" saatlere de ihtiyaç duyarlar. "Sabitlik" bu durumda, bir saatin bir zaman birimini ne kadar tutarlı bir şekilde ölçtüğünü ifade eder; örneğin, bir saniyenin uzunluğunun ölçümü, günler ve haftalar boyunca aynı (saniyenin milyarda birinden daha az hata payıyla) olmalıdır.

Wikimedia

Atomların, Saatlerle Ne İlgisi Var?

Uzay navigasyonu için gerekli olan standartlar çerçevesinde, kol saatlerimizde kullandığımız kuvars kristal saatleri yeterince sabit değildir. Yalnızca bir saat sonra, en iyi performans gösteren kuvars osilatörleri bile 1 nanosaniye (saniyenin milyarda biri) yanılabilir. Yani altı hafta sonra, tam 1 milisaniye (saniyenin binde biri) veya mesafe bakımından 300 kilometre hata yapabilirler. Bunun, hızlı hareket eden bir uzay aracının konumunu ölçmede büyük bir etkisi olacaktır.

Atom saatleri daha fazla stabilizasyon elde etmek için, bir kuvars kristal osilatörünü bir grup atomla birleştirir. NASA'nın Uzay Atom Saati, dört gün sonra bir nanosaniyeden daha az ve 10 yıl sonra bir mikrosaniyeden (saniyenin milyonda birinden) daha az yanılmış olacak. Bu, her 10 milyon yılda, 1 saniyelik yanılmaya eşdeğerdir.

Atomlar, elektronlarla çevrilidir. İçlerinde protonları ve nötronları bulunduran bir çekirdekleri vardır. Periyodik tablodaki her element, çekirdeğinde belirli sayıda proton bulunan bir atomu temsil eder. Çekirdeğin etrafında dolaşan elektronların sayısı değişebilir, ancak elektronların farklı enerji seviyelerinde veya yörüngelerde bulunmaları gerekir. Mikrodalgalar gibi bir enerji dalgasının etkisi, bir elektronun çekirdek etrafında daha yüksek bir yörüngeye yükselmesine neden olabilir. Bu sıçramayı yapabilmek için elektron, yörünge sıçraması yapmaya yetecek miktarda enerji almalıdır - yani mikrodalgaların belirli bir frekansı olmalıdır. Buradaki "frekans" kavramı, belirli bir zaman biriminde uzaydaki belirli bir noktadan geçen dalgaların sayısını ifade eder. Yani, dalgaları sayarak zamanı ölçmek mümkündür.

Elektronların yörüngelerini değiştirmesi için gereken enerji her elementte farklıdır ve belirli elementin tüm atomları için evrenin her yerinde sabittir. Örneğin, bir karbon atomundaki elektronların enerji seviyelerini değiştirmesi için gerekli frekans, Evren'deki her karbon atomu için aynıdır. Uzay Atom Saati, cıva atomlarını kullanır; bu elektronların seviyelerini değiştirmesi için farklı bir frekans gereklidir ve bu frekans bütün cıva atomları için aynı olacaktır. Jet İtki Laboratuvarı’nda (İng: "Jet Propulsion Laboratory" veya "JPL") atom saati fizikçisi olan Eric Burt şöyle anlatıyor:

Bu yörüngeler arasındaki enerji farkının bu kadar kesin ve sabit bir değer olduğu gerçeği, gerçekten de atom saatlerinin temel bileşenidir. Atom saatlerinin mekanik saatlerin ötesinde bir performans seviyesine ulaşmasının nedeni de budur.

Belirli bir atomdaki bu değişmez frekansı ölçebilmek, bilime evrensel, standartlaştırılmış bir zaman ölçümü sunar. Aslına bakarsanız, "1 saniye" dediğimiz sürenin uzunluğunun resmî ölçümü de bu prensibe dayanır: Bu ölçüm için, bir sezyum atomundaki elektronların iki spesifik enerji seviyesi arasında sıçramasını sağlamak için gereken frekansı ölçeriz. Bundan yola çıkarak, hepimizin "1 saniye" olarak algıladığı sürenin tam olarak ne uzunlukta olduğunu belirleyebiliriz: Oda sıcaklığındaki uyarılmamış Sezyum-133 atomunun temel durumdaki iki enerji seviyesi arasındaki geçişe karşılık gelen, 9.192.631.770 döngülük radyasyon, tam olarak 1 saniyedir!

Bir atom saatinde, kuvars osilatörünün frekansı, bir atom grubuna uygulanan bir frekansa dönüştürülür. Türetilen frekans yeterliyse, atomlardaki birçok elektronun enerji seviyelerini değiştirmesine neden olacaktır. Frekans yetersizse, çok daha az sayıda elektron atlayacaktır. Bu, kuvars osilatörünün kapalı frekansta olup olmadığını ve ne kadar olduğunu belirleyecektir. Atomlar tarafından belirlenen bir "düzeltme", daha sonra kuvars osilatöre uygulanarak, doğru frekansa geri yönlendirilebilir. Uzay Atom Saati’nde bu tür bir düzeltme birkaç saniyede bir hesaplanır ve kuvars osilatöre uygulanır.

Elbette bir atom saatinin isabetliliği, iki temel faktörden etkilenir:

• Kullanılan atomların sıcaklığı: Daha soğuk atomlar, daha yavaş hareket ederler ve bu nedenle daha uzun zaman ölçümleri yaparlar.
• Elektronik veya hiper-hassas geçişin frekansı ve iç çizgi genişliği: Daha yüksek frekanslar ve daha dar çizgiler, daha yüksek hassasiyeti getirir.

Uzay Atom Saati’ni Özel Yapan Nedir?

Atom saatleri, Dünya'nın yörüngesinde dönen GPS uydularında kullanılır; ancak saatlerin doğal kaymasını düzeltmek için, günde 2 kez güncellemelerin gönderilmesi gerekir. Bu güncellemeler, genellikle bir buzdolabı boyutunda olan ve uzaya gitmenin gerektirdiği fiziksel zorlukların üstesinden gelebilecek şekilde tasarlanmamış olan, yeryüzünde sabit olarak bulunan atom saatlerinden gelir.

GPS uydularındaki atom saatlerinden yaklaşık 50 kat daha sabit olan NASA'nın Uzay Atom Saati’nin, uzayda şimdiye kadar uçulan en sabit atom saati olması amaçlanmıştır. Bu sabitliğe cıva iyonları kullanarak ulaşır.

İyonlar, elektriksel olarak nötr olmaktan ziyade, net elektrik yüküne sahip atomlardır. Herhangi bir atom saatinde, atomlar bir vakum odasında bulunur ve bu saatlerin bazılarında atomlar, vakum odasının duvarlarıyla etkileşime girer. Sıcaklık gibi çevresel değişiklikler, atomlarda da değişikliklere neden olur ve frekans hatalarına yol açar. Birçok atom saati nötr atomlar kullanır; ancak cıva iyonları elektrik yüküne sahip olduğundan, bu etkileşimin gerçekleşmesini önlemek için bir elektromanyetik "tuzak" içinde tutulabilir ve Uzay Atom Saati’nin yeni bir isabetlilik düzeyine ulaşmasını sağlayabilir.

Mars veya diğer gezegenler gibi uzak yerlere giden görevler için bu tür bir isabetlilik, Dünya'da ve Dünya'dan minimum iletişimle otonom navigasyonunu mümkün kılar; bu da, uzay araçlarının şimdiki navigasyon yöntemleri için büyük bir gelişmedir.