两年多来，美国宇航局(NASA)的深空原子钟(Deep Space Atomic Clock)一直在推动太空计时领域的发展。2021年9月18日，它的任务圆满结束。
该仪器是在2019年6月25日美国国防部空间测试计划2号任务中发射的通用原子轨道试验台航天器上安装的。它的目标是测试使用机载原子钟来改善宇宙飞船在深空导航的可行性。
目前，宇宙飞船依赖于地面原子钟。为了测量航天器飞越月球时的轨迹，导航员使用这些计时器来精确跟踪信号的发送和接收时间。因为无线电信号的传播速度是光速(大约每秒30万公里)，导航员可以利用这些时间测量来计算航天器的确切距离、速度和行进方向。
但是航天器离地球越远，发送和接收信号的时间就越长——从几分钟到几小时——这大大延迟了这些计算。通过与导航系统配对的机载原子钟，航天器可以立即计算出它的位置和去向。
深空原子钟由美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室建造，它是一个超精确的汞离子原子钟，装在一个小盒子里，每边大约10英寸(25厘米)，大约有一个烤面包机那么大。深空原子钟的设计是为了在严酷的发射和寒冷、高辐射的太空环境中生存，而不降低其计时性能。深空原子钟是一项技术演示，旨在实现技术优化，填补关键的知识空白。
该仪器在地球轨道上完成了为期一年的主要任务后，因为其计时稳定性非常好，美国宇航局延长了任务，以收集更多的数据。在9月18日技术演示关闭之前，该任务加班加点，在最后几天提取尽可能多的数据。
喷气推进实验室的首席研究员和项目经理托德·伊利说：“深空原子钟任务取得了巨大的成功，技术演示远远超过了预期的运行期。”
来自这台开创性仪器的数据将有助于开发深空原子钟2号，这是一项技术演示，将在2028年发射时搭乘美国宇航局的 VERITAS金星任务（全称Venus emissivity, radio science, InSAR, topography and spectroscopy，即对金星辐射率、无线电科学、年龄测定、地质学和光谱学的研究）前往金星。这将是对深空原子钟的首次测试，也是提高航天器自主性的重大进步。
*2019年6月25日，美国宇航局在佛罗里达州肯尼迪航天中心39A发射台发射了深空原子钟，这是美国国防部空间测试计划2 (sp -2)任务的一部分。
稳定就是一切
虽然原子钟是地球上最稳定的计时器，但它们仍然存在不稳定性，会导致原子钟的时间与实际时间之间的微小延迟或“偏移”。如果不进行校正，这些偏移量将会增加，并可能导致定位中的大误差。几分之一秒可能意味着安全抵达火星还是完全错过这颗行星。
更新信息可以从地球发送到航天器，以校正这些偏移。例如，全球定位系统(GPS)卫星携带原子钟，帮助我们从A点到达b点。为了确保它们的时间准确，需要频繁地从地面向卫星传送最新信息。但是，频繁地从地球向深空的原子钟发送更新信息是不现实的，也违背了为宇宙飞船配备原子钟的目的。
这就是为什么探索深空的宇宙飞船上的原子钟需要从一开始就尽可能稳定，从而减少对地球更新信息的依赖。
“深空原子钟成功实现了这一目标。”喷气推进实验室的原子钟物理学家埃里克·伯特说，“我们在太空中实现了原子钟长期稳定的新记录——比GPS原子钟好一个数量级以上。这意味着我们现在稳定性更高，允许在深空任务中有更多自主权，如果它们携带我们的仪器，能使GPS卫星减少对每日两次更新的依赖。”
在最近的一项研究中，深空原子钟团队报告称，在运行20多天后，偏差不到4纳秒。
和它的前辈一样，深空原子钟2号也将是一个技术演示，这意味着VERITAS不会依赖它来实现目标。但再下一个版本将更小，耗电更少，设计用于支持像VERITAS这样的多年任务。
“这是团队取得的一项了不起的成就。技术演示已被证明是一个在轨的强大系统，我们期待着看到改进后的版本飞向金星。”华盛顿NASA技术演示主任特鲁迪·科特说。“我们开发新技术并加强现有技术，以推进人类和机器人的太空飞行。深空原子钟确实有可能改变我们探索深空的方式。”
NASA太空通信与导航总部高级通信与导航技术部主任杰森·米切尔对此表示赞同：“仪器的性能确实非常出色，证明了团队的能力。展望未来，深空原子钟不仅将为NASA的人类和机器人探索任务提供重要的、新的操作能力，它还可能使对相对论基础物理更深入的探索成为可能，就像支持GPS的时钟所做的那样。”
（独家编译：科幻世界）
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