W Toruniu trwają prace nad miniaturowym, optycznym zegarem atomowym. Wysłany w kosmos może zrewolucjonizować międzyplanetarną nawigację

Ciemna materia stanowi nawet 27 proc. znanego wszechświata. W jej znalezieniu mogą pomóc najnowsze, superprecyzyjne zegary atomowe. Są tak dokładne, że można je wykorzystać do wykrywania ciemnej materii, pomiaru fal grawitacyjnych i określania dokładnego kształtu ziemskiego pola grawitacyjnego. Optyczne zegary atomowe znajdują się również w Polsce. W Toruniu trwają prace nad miniaturowym, przenośnym zegarem optycznym, który mógłby zrewolucjonizować nawigację międzyplanetarną.

– Mój projekt polega na poszukiwaniu ciemnej materii przy pomocy optycznych zegarów atomowych. Optyczne zegary atomowe są to niezwykle czułe urządzenia. Dwa z nich znajdują się w Toruniu, są to jedyne optyczne zegary atomowe w Polsce. I wykorzystujemy fakt, że ciemna materia spowodowałaby bardzo subtelne efekty w naszej naturze, które właśnie za pomocą tych zegarów można by było wykryć – podkreśla w rozmowie z agencją Newseria Innowacje Beata Zjawin, studentka fizyki na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu, laureatka stypendium SPIE Optics and Photonics Education Scholarship oraz 19. edycji programu L’Oréal Polska „Dla kobiet i nauki".

Badacze od lat próbowali zaobserwować ciemną materię, która może stanowić nawet 27 proc. całego znanego Wszechświata. Obecnie jest to już jednak możliwe. Fizycy z Uniwersytetu Tokijskiego planują używać laserów do odkrywania osi, czyli cząsteczek, które mogą być składnikami ciemnej materii. Trudność w znalezieniu ciemnej materii polega na tym, że jest ona zbudowana ze słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP). Choć nie ma jeszcze sposobu, aby je bezpośrednio wykryć, to można przewidzieć ich istnienie na podstawie efektów grawitacyjnych.

W Polsce poszukiwaniem ciemnej materii zajmie się nowa generacja zegarów atomowych.

– To bardzo precyzyjne urządzenia, więc jesteśmy w stanie bardzo dokładnie kontrolować to, co się dzieje w środku optycznego zegara atomowego. Jeżeli zauważymy jakiekolwiek zaburzenia, których źródła nie jesteśmy w stanie podać, możemy spróbować interpretować, czy były one właśnie związane z ciemną materią – tłumaczy Beata Zjawin.

Istnienie ciemnej materii sugeruje się poprzez jej wpływ grawitacyjny na ruchy gwiazd i galaktyk. Obecnie naukowcy testują istnienie pól ciemnej materii, szukając zakłóceń w zegarach atomowych, które utrzymują czas, monitorując drżenie atomów. Zegary są tak dokładne, że stracą nie więcej niż 1 sekundę co 15 miliardów lat.

– Optyczne zegary atomowe są bardziej precyzyjne niż jakiekolwiek inne zegary. To, czego my używamy w tym momencie jako definicji czasu, to są zegary atomowe, bez tej części optycznej, i one się znajdują np. na stacjach GPS i pomagają nam powiedzieć, jakie jest nasze położenie. Plany zakładają, żeby zbudować dużo mniejszy optyczny zegar atomowy, który działałby bez żadnej ingerencji człowieka, by móc np. wysłać go w kosmos – podkreśla studentka.

W Toruniu trwają właśnie prace nad stworzeniem miniaturowych, przenośnych zegarów atomowych. Jeśli takie powstaną, mogłyby np. trafić do satelitów, a w ten sposób zrewolucjonizowałyby cały system nawigacji, ale i obrazowania Ziemi, z dokładnością co do milimetrów. Większość zegarków jest teraz oparta na kwarcowym oscylatorze, który sprawdza się w codziennych pomiarach czasu, ale z czasem traci dokładność. Po 6 tygodniach można je uruchomić z różnicą milisekundy. W nawigacji kosmicznej ułamek sekundy może oznaczać błąd odległości rzędu 300 kilometrów.

– Są to plany raczej bliskie, które teraz realizujemy. W przeciągu kilku, kilkunastu lat mamy nadzieję je już zrealizować – wskazuje Beata Zjawin.