Podstawowym celem projektu ACES jest weryfikacja opracowanej przez Alberta Einsteina teorii względności – zarówno szczególnej, jak i ogólnej. Zgodnie z pierwszą z nich, czas płynie wolniej dla obiektów poruszających się z dużą prędkością. Druga zakłada, że zegary tykają wolniej w silniejszym polu grawitacyjnym.
I tu pojawia się prawdziwe wyzwanie. Stacja kosmiczna krąży wokół Ziemi z prędkością około 8 kilometrów na sekundę, a jednocześnie znajduje się dalej od centrum Ziemi niż powierzchnia planety. Mamy tu zatem połączenie tych dwóch zależności, które niemalże się wzajemnie znoszą. Wysłane w przestrzeń kosmiczną zegary atomowe są jednak na tyle czułe, że teoretycznie będzie można w toku pomiarów dostrzec te subtelne różnice.
Czytaj także: Zegary atomowe nigdy nie spóźnią się nawet o ułamek sekundy
W ramach misji ACES, która będzie realizowana przez 30 miesięcy, naukowcy planują wykonać co najmniej dziesięć sesji pomiarowych, z których każda potrwa 25 dni. Eksperyment będzie polegać na przesyłaniu ultraprecyzyjnych sygnałów czasu z orbity na Ziemię, przy użyciu dwóch niezależnych technologii. Sygnały zostaną porównane z zegarami naziemnymi, co umożliwi wykrycie nawet najmniejszych rozbieżności między upływem czasu na pokładzie stacji kosmicznej a tym na powierzchni Ziemi.
Naukowcy zakładają, że projekt przyniesie przełom w kilku dziedzinach nauki. Może znacząco poprawić dokładność globalnych systemów pomiaru czasu. Eksperyment ACES może również odegrać ważną rolę w kolejnej redefinicji sekundy – jednostki podstawowej w układzie SI. Tutaj warto podkreślić, że optyczne zegary stosowane na Ziemi osiągają już dokładność dziesięciokrotnie wyższą od zegarów wysłanych na pokład ISS. O ile zatem pomiary czasu na Ziemi są bardziej precyzyjne, o tyle w przypadku eksperymentu ACES mamy do czynienia z najbardziej precyzyjnym układem zegarów atomowych, jaki kiedykolwiek trafił na orbitę okołoziemską.
Poza badaniem dylatacji czasu ACES może też umożliwić eksperymenty nad potencjalnymi zmianami podstawowych stałych fizycznych, być może dostarczając nam nowych ograniczeń masy cząstek ciemnej materii.
W skład eksperymentu ACES wchodzą dwa precyzyjne zegary atomowe. Pierwszy z nich to PHARAO (Projet d’Horloge Atomique à Refroidissement d’Atomes en Orbite) – zegar cezowy przystosowany do pracy w mikrograwitacji, o kompaktowych rozmiarach. Drugi to SHM (Space Hydrogen Maser), wykorzystujący mikrofale i przejścia atomów wodoru.
Czytaj także: Nie uwierzysz, jak Chiny rozłożyły USA na łopatki
Zaprojektowanie i przygotowanie tego zaawansowanego systemu wymagało skrupulatnego planowania. Szczególną trudność stanowiło zapewnienie odpowiedniego środowiska magnetycznego elementów zegara. Naukowcy musieli bezustannie monitorować otoczenie powstających zegarów, aby zapewnić ochronę komponentów przed wszelkimi zakłóceniami. Co więcej, każdy komponent zegarów, włącznie z pojedynczymi śrubami, został precyzyjnie rozmagnesowany, zanim został zainstalowany na pokładzie eksperymentu ACES. Efekt prac jest fenomenalny. Naukowcy wskazują, że razem oba zegary mogą tracić jedną sekundę na każde 300 milionów lat. To się nazywa precyzja.
Teraz jednak trzeba poczekać na najważniejsze. Najpierw ACES zostanie zainstalowany na zewnętrznym poszyciu modułu Columbus. Za realizację tego zadania odpowiedzialne będzie robotyczne ramię stacji kosmicznej. Potem wystarczy rozpocząć pomiary czasu.