A ESA põe à prova a famosa teoria de Einstein: os relógios atómicos já chegaram ao espaço para a missão ACES

Um relógio que retrocede um segundo em cada 300 milhões de anos é talvez, para o cidadão comum, o mesmo que matar moscas com um canhão. Em nenhum momento da nossa vida quotidiana precisaremos de medir qualquer acontecimento temporal com tal precisão.

No entanto, a ideia por detrás da missão ACES não é que os astronautas saibam exatamente quanto tempo demora o seu café a aquecer, mas sim testar a Teoria da Relatividade de Einstein e abrir novos campos de investigação sobre os fundamentos da física a partir da órbita do nosso planeta.

O relógio é composto por dois instrumentos, o PHARAO, um relógio de 91 kg que funciona através da medição de átomos de césio sobrearrefecidos utilizando lasers. A utilização deste tipo de relógio não é trivial, uma vez que, de acordo com o atual sistema internacional de unidades, um segundo é a duração de 9.192.631.770 ciclos de oscilação de um átomo de césio.

A acompanhar o PHARAO estará o Space Hydrogen Maser (SHM), um instrumento capaz de medir o tempo utilizando átomos de hidrogénio. Separadamente, estes relógios são extraordinariamente precisos, mas juntos atingem outro nível, o necessário para redefinir os padrões globais de medição do tempo.

Porque é que queremos um relógio tão preciso no espaço?

Estes instrumentos chegaram a 25 de abril de 2025 ao laboratório Columbus, na Estação Espacial Internacional, e um braço robótico instalá-los-á no sistema de carga externa nadir, que está virado para o nosso planeta. Desta forma, os laboratórios em terra poderão ligar-se utilizando micro-ondas (MLW) e lasers para sincronizar os seus relógios com uma precisão sem precedentes.

Uma vez instalado, o ACES passará 30 meses a acompanhar a ISS na sua viagem à volta do planeta, que circunda cerca de 16 vezes por dia. Durante este tempo, espera-se que efetue pelo menos 10 campanhas de medição de 25 dias cada, para captar as variações temporais mínimas causadas pela influência da gravidade e da velocidade orbital da Terra. Por outras palavras, o ACES irá quantificar os efeitos da Teoria da Relatividade de Einstein e testar as suas previsões.

Mas nem tudo é teoria - os instrumentos também têm aplicações no mundo real. Por exemplo, uma medição tão estável do tempo orbital permitirá uma melhor sincronização dos sistemas globais de posicionamento por satélite e aumentará significativamente a precisão dos sistemas GPS.

Além disso, outros sistemas de telecomunicações que também necessitam de objetos em órbita, como a Internet, poderiam beneficiar de um relógio deste tipo para funcionarem com maior segurança. Por outras palavras, este relógio poderá ser a pedra angular para que o mundo digital funcione de forma coordenada.

Como é que a teoria de Einstein afeta os satélites?

De acordo com os efeitos relativistas, tanto a velocidade de um corpo como a sua posição relativamente a uma fonte gravitacional afetam a sua perceção da passagem do tempo. Assim, o chamado “desvio para o vermelho gravitacional” faz com que os satélites sintam a passagem do tempo de forma diferente da nossa à superfície do planeta.

O efeito é particularmente notório nos satélites Galileu e GPS, que orbitam a cerca de 20 000 quilómetros da superfície. Em consequência, os seus relógios atómicos estão dessincronizados em cerca de 40 microssegundos por dia com os da Terra, pelo que têm de corrigir constantemente a sua data.

Com a utilização do ACES, os investigadores esperam compreender melhor as flutuações temporais causadas pelo efeito Einstein e aumentar assim a precisão das medições dos satélites. Esperam também utilizar os relógios para criar mapas geodésicos mais precisos ou para medir pequenas variações que ocorrem devido a fenómenos relacionados com as interações entre a gravidade e a mecânica quântica.

Referência da notícia

ACES: Atomic Clock Ensemble in Space. Science & Exploration.