جون یه (سمت چپ)، فیزیکدانی در NIST و JILA، با اعضای تیمش (از چپ به راست) زوئی هو، داهیون لی و بن لوئیس که کپیهایی از یک حفره لیزر نوری در دست دارند، عکس میگیرد.
اعتبار: R. Jacobson/NIST
آنها در میان تاریک ترین و سردترین مکان های منظومه شمسی قرار می گیرند: صدها دهانه ماه، که بسیاری از آنها در قطب جنوبی ماه هستند، هرگز نور مستقیم خورشید را دریافت نمی کنند و در سایه دائمی قرار دارند. دقیقاً به همین دلیل است که فیزیکدان Jun Ye و همکارانش پیشنهاد می کنند که این دهانه ها مکان مناسبی برای ساخت یک جزء حیاتی برای لیزر فوق پایدار هستند.
یی که به مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و JILA، مؤسسه مشترک NIST و دانشگاه کلرادو بولدر وابسته است، گفت: در ماه، یک لیزر بسیار پایدار – منبع نور منسجم که دارای فرکانس یا رنگ تقریباً تزلزلناپذیر است – میتواند یک سیگنال زمان اصلی ارائه دهد و ناوبری ماه مانند GPS را ارائه دهد. چندین نسخه از این لیزرهای قمری میتوانند دقیقاً فواصل بین اجرام را اندازهگیری کنند و به طور بالقوه پدیدههای فیزیک عجیب و غریب مانند امواج در فضا-زمان را تشخیص دهند.
برای ساخت یک لیزر قمری، فضانوردان ابتدا یک جزء کلیدی به نام حفره سیلیکونی نوری را نصب میکنند – بلوکی از سیلیکون که فقط به فرکانسهای خاصی از نور اجازه میدهد بین آینهها در هر انتهای بلوک به جلو و عقب بتابد. فاصله بین دو آینه تعیین کننده فرکانس هایی است که مجاز به تشدید هستند. برای یک حفره نوری بسیار پایدار، این فاصله، و در نتیجه آن فرکانس ها، تغییر نمی کند.
ماه مکان ایده آلی برای ساختن یک حفره نوری است زیرا در مقایسه با زمین در معرض ارتعاشات نسبتا کمی است و خلاء بالایی دارد (زیرا محیط آن خالی از هوا است).
اما دهانههای سایهدار دائمی در قطب جنوب قمری مزیت بزرگتری دارند. دمای سرد آنها در حدود 50 درجه بالاتر از صفر مطلق (50 کلوین) به شدت لرزش تصادفی سطوح آینه را کاهش می دهد.
علاوه بر این، این دهانهها حتی خلاء بالاتری نسبت به سطح ماه دارند و ارتعاشات امواج صوتی و ذرات سرگردان را که میتوانند به آینهها برخورد کنند و فاصله بین آنها را تغییر دهند، بیشتر کاهش داده یا حذف میکنند.
با تابش هرگونه گرمای باقیمانده از سیستم حفره به ورطه بسیار سردتر فضای بیرونی، حفره نوری را می توان بیشتر خنک کرد، بدون نیاز به کرایوستات یا تجهیزات دیگر، تا دمای 16 کلوین. در آن دما، سیلیکون هنگام قرار گرفتن در معرض تغییرات کوچک دما نه منبسط می شود و نه منقبض می شود، و اطمینان حاصل می شود که نوری که همیشه از دو آینه وارد می شود، منبسط نمی شود و منقبض نمی شود.
هنگامی که حفره سیلیکونی نوری مستقر می شود، یک لیزر تجاری موجود در نزدیکی آن قرار می گیرد – یا روی لبه یا داخل دهانه دائمی سایه دار. مقدار کمی از نور لیزری که به داخل حفره نوری هدایت میشود برای قفل کردن فرکانس لیزر به یکی از فرکانسهای تشدید مجاز توسط حفره استفاده میشود و اطمینان حاصل میکند که لیزر نور یک رنگ بدون تغییر ساطع میکند.
پس از تثبیت فرکانس نور خود، لیزر می تواند به عنوان یک سیگنال GPS مانند عمل کند و فضاپیماهای ماه را به فرود ایمن هدایت کند، به ویژه آنهایی که قرار است مناطق کم نور نزدیک قطب جنوب را لمس کنند. با تنظیم نور خود با سیگنالهای ساعتهای اتمی در ماهوارهها، یک لیزر قمری با ثبات بالا همچنین میتواند ستون فقرات اولین ساعت اتمی نوری را در سطح فرازمینی تشکیل دهد. این سیگنال زمانسنج با دقیقترین و دقیقترین ساعتهای اتمی نوری روی زمین که Ye و همکارانش در آزمایشگاههای زمینی ساختهاند، رقابت میکند.
اعتبار:
J. Ye/NIST با تصویر پسزمینه ماه که توسط استودیوی تجسم ناسا تهیه شده است
شما و همکارانش، از جمله محققان JILA; آزمایشگاه رانش جت ناسا در پاسادنا، کالیفرنیا؛ Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) در آلمان؛ و Lunetronic Inc. در سانفرانسیسکو، پیشنهاد خود را در شماره اخیر مجله توصیف می کنند مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم.
اگرچه ایده ساخت یک لیزر در داخل یک دهانه ماه ممکن است شبیه پای در آسمان به نظر برسد، ناسا قبلا مناطقی در نزدیکی دهانههای سایه دائمی قطب جنوب به عنوان مکانهای فرود برای ماموریت آرتمیس آژانس فضایی تعیین کرده است.
یک متخصص لیزر و اندازهگیریهای دقیق، پس از صحبت با همکارانش در مورد انواع ابزارهایی که ماموریت آرتمیس میتوانست حمل کند و روی سطح ماه نصب کند، به ایده لیزر ماه رسید. برخی از ایدهها غیرعملی به نظر میرسند یا شامل فناوری میشوند که به طور کامل روی زمین توسعه نیافته است.
Ye خاطرنشان کرد: “من فکر کردم، “اجازه دهید یک ایده دیوانه وار دیگر را بیرون بیاورم” – با این تفاوت که در نهایت معلوم شد که آنقدرها هم دیوانه نیست. او افزود که پس از سال ها کار با حفره های تشدید سیلیکونی، Ye و همکارانش در JILA و موسسه ملی مترولوژی آلمان “دقیقا می دانند که مواد اصلی برای ساختن یک حفره سیلیکونی چیست.” به محض اینکه فهمیدم مناطق تحت سایه دائمی چه چیزی می توانند ارائه دهند، احساس کردم که این مکان ایده آل ترین محیط برای یک لیزر فوق العاده پایدار خواهد بود.
به گفته Ye، اگر فضانوردان شبکهای از این لیزرهای قمری را نصب کنند، این ابزارها میتوانند فواصل بین اجرام روی ماه را با دقت فوقالعادهای اندازهگیری کنند. چنین دقتی میتواند لیزرهای مبتنی بر ماه را قادر سازد تا به عنوان آشکارساز امواج گرانشی، موجهایی در فضا-زمان که ماه را تکان میدهند و فاصله بین اجرام ماه را در حین عبور آنها تغییر میدهد، عمل کنند.
وی ژانگ یکی از نویسندگان این مطالعه از آزمایشگاه رانش جت ناسا گفت که حفره نوری سیلیکونی که به اندازه کافی کوچک است تا در داخل فضاپیمای آرتمیس قرار گیرد، به طور کامل روی زمین مونتاژ خواهد شد. در طول استقرار در ماه، پانل های تشعشع دستگاه باید باز شوند. ژانگ افزود، فضانوردان از یک ماه نورد از راه دور یا کنترل مکانیکی برای پایین آوردن حفره در دهانه استفاده خواهند کرد.
Yiqi Ni، یکی از نویسندگان Lunetronic اشاره کرد، به دلیل نور ضعیف، فرود بر روی مناطق قطبی ماه دشوار خواهد بود. با این حال، مناطق تحت سایه دائمی ماه در مرکز اکتشافات طولانی مدت ماه باقی می مانند، زیرا حاوی یخ آب و سایر منابع مورد نیاز برای حفظ حضور انسان هستند.
Ni تخمین می زند که یک حفره نوری سیلیکونی می تواند در طی دو سال در مدار پایین زمین نشان داده شود، طی سه تا پنج سال در سطح ماه مستقر شود و در نهایت با تلاش های هماهنگ چند سازمانی در داخل یک دهانه تاریک نصب شود.
مقاله: Jun Ye، Zoey Z. Hu، Ben Lewis، Wei Zhang، Fritz Riehle، Uwe Sterr، Yiqi Ni و Julian Struck. حفره سیلیکونی قمری. مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم. منتشر شده آنلاین در 8 مه 2026. DOI: 10.1073/pnas.2604438123
Source link