宇宙を飛行する宇宙船はどのようにして帰還するのでしょうか?

宇宙船が宇宙に突入した後、毎日必ず実行しなければならない作業が一つあります。それは、地上との距離を継続的に確認することです。

これは、地上管制センターが宇宙船の位置をより正確に把握できるようにするためです。そうしないと、宇宙で迷子になった場合に帰還の道を見つけるのが容易ではなくなります。

そのため、地球表面の管制センターは宇宙船に信号を継続的に送信し（信号は光速で伝わります）、宇宙船がそれを受信すると、同様に応答します。

そして、地上管制センターは信号の双方向伝送に要した時間を測定し、速度×時間という距離計算式と組み合わせることで、宇宙船の飛行軌道、位置、方向を計算することができます。

複雑に思えるかもしれませんが、単純化すると、実は私たちの日常生活と非常によく似ています。

自宅から職場までが徒歩10分の距離にあり、1分で400メートル歩けることが分かっていると仮定すると、自宅から会社までの距離を大まかに計算することができます。家を出て7分経つと、会社までどのくらいの距離があるかが分かります。

私たちは通常、日常生活で使用する時計を使用してこの 7 分を測定します。

しかし、宇宙船と地上管制センター間の双方向の伝送時間は、私たちが日常的に使用する時計では正確に測定できません。

宇宙航行の基準によれば、タイミングに使用されるクロックは非常に優れた安定性を備えている必要があります。この安定性は、時計が一定期間内に単位時間を正確に測定し続けることができることを意味します。たとえば、1 秒の長さの測定は、数日または数週間にわたって同じである必要があります。

現在の時計のほとんどは、時間を計るために水晶発振器を使用しています。

これらの発振器は水晶の「圧電効果」を利用しています。電圧が加えられると、水晶は正確な周波数で振動します。この振動は古代の振り子時計の振動に似ており、時間の足跡を描き出します。

残念ながら、クォーツ時計はあまり安定していません。最高品質の水晶発振器でも、わずか 1 時間後には 10 億分の 1 秒の誤差が生じ、6 週間後には 1 マイクロ秒の誤差が生じる可能性があります。

これでは、高速で移動する宇宙船の位置を測定する際に大きな誤差が生じてしまいます。

したがって、宇宙の計時には、現在地球上で最も正確な時計である原子時計が使用されます。

原子時計とは何ですか？

1950 年代以降、地上の原子時計が時間計測のゴールドスタンダードとなってきました。

1948 世界初の原子時計

1967 年、国際度量衡総会は、天体の巨視的周期運動に基づく時間単位「秒」の当初の定義を、セシウム 133 原子の基底状態の 2 つの超微細エネルギー レベル間の遷移に対応する 9,192,631,770 サイクルの放射線の持続時間に変更する決議を採択しました。

簡単に言えば、原子は電子に囲まれた原子核（陽子と中性子）で構成されていることがわかっています。

原子核を周回するこれらの電子は安定していません。マイクロ波の形でエネルギーを受けると、原子核の周りのより高い軌道（エネルギーレベル）に上昇します。

しかし、 2つの軌道（エネルギーレベル）間の励起エネルギーは固定されています。多すぎても少なすぎてもいけません。したがって、電子は遷移を完了するために正確に適切な量のエネルギーを受け取る必要があります。幸いなことに、電子レンジには特定の周波数があります。

さらに、電子が軌道を変えるのに必要なエネルギー（エネルギーレベル）は、各元素ごとに固有であり、宇宙全体で一貫しています。たとえば、水素原子内の電子のエネルギーレベルを変化させるのに必要な周波数は、宇宙のどの水素原子でも同じです。

原子内のこれらの軌道（エネルギーレベル）間のエネルギー差が非常に正確で安定しているからこそ、原子時計は水晶時計をはるかに超える計時機能を実現できるのです。

宇宙航行のための原子時計

原子時計は双方向の信号伝送に必要な正確な時間を取得するために使用できますが、現在厄介な問題があります。

この双方向信号伝送方式は、宇宙船が地球からどれだけ離れていても、地球の指示を載せた信号が広大な宇宙の超長距離を越えて送信されるのを待ってから、次のステップに進む必要があることを意味します。

この場面は私たちの想像で作られたものではありません。これはキュリオシティ宇宙船が火星に着陸する前に起こった出来事です。キュリオシティが地球の管制センターから送られた「着陸確認」信号を受信するまでに14分かかった。

この遅延は平均的な待ち時間であり、太陽の周りの軌道上の地球と火星の位置によって異なります。

そして、この問題は単に恥ずかしいだけでなく、他の惑星への将来の有人宇宙ミッションにも比較的大きな影響を及ぼすことになるでしょう。

そこでNASAは、深宇宙原子時計とも呼ばれる、宇宙船に原子時計を直接取り付けるという方法を実験しました。

このとき、宇宙船は地上管制センターからの信号を受信するだけでよく、搭載されている原子時計は、信号が送信されるのにかかった時間を正確かつタイムリーに取得できます。そうすると、宇宙船に乗っている宇宙飛行士は自分の位置と軌道を計算し、宇宙での方向を決定することができます。

実際、宇宙船に原子時計を搭載することは目新しいことではありません。現在の航法衛星（中国の北斗衛星など）には原子時計が搭載されています。

携帯電話のナビゲーション ソフトウェアを使用すると、衛星の原子時計が携帯電話の信号が衛星に送信されるのにかかる時間に基づいて地球上の位置を計算し、3D マップと組み合わせてナビゲーション機能を提供します。

衛星搭載の原子時計が使われないのは、主に衛星搭載の原子時計が十分に安定していないためです。原子は真空環境下にあります。それでも、温度や磁場などの外部要因の影響を受け、周波数誤差が生じる可能性があります。

しかし、深宇宙原子時計は中性原子ではなく、独自の電子を持つ水銀イオンを使用します。このようにして、水銀イオンは「イオントラップ」によって保護され、外部からの影響が軽減されます。

NASAの地上テストによれば、水銀イオン深宇宙原子時計の安定性はGPS衛星の原子時計の50倍高いという。

火星や他の惑星などの遠い目的地へのミッションでは、この高精度の原子時計により宇宙船の負担が軽減され、宇宙での自動航行が可能になります。

おそらく人類は生きているうちに火星に着陸できるようになるでしょう。