• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Signaler från avlägsna stjärnor kopplar samman optiska atomklockor över jorden för första gången

    Antenner och optiska gallerklockor används. Övre vänster:2,4 m antenn installerad på INAF, Italien. Övre mitten:2,4 m antenn installerad på NICT, Japan. Uppe till höger:34 m antenn placerad vid NICT, Japan. Nederst till vänster:Den ytterbium optiska gitterklockan fungerade vid INRIM, Italien. Nederst till höger:Strontium optiska gitterklockan som finns vid NICT, Japan. Kredit:National Institute of Information and Communications Technology (NICT), förutom längst ner till vänster. Kredit:Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM))

    Använda radioteleskop för att observera avlägsna stjärnor, forskare har kopplat ihop optiska atomur på olika kontinenter. Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Naturfysik genom ett internationellt samarbete mellan 33 astronomer och klockexperter vid National Institute of Information and Communications Technology (NICT, Japan), Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, Italien), Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italien), och Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Frankrike).

    BIPM i Sèvres nära Paris beräknar rutinmässigt den internationella tid som rekommenderas för civilt bruk (UTC, Coordinated Universal Time) från jämförelse av atomur via satellitkommunikation. Dock, de satellitanslutningar som är nödvändiga för att upprätthålla en synkroniserad global tid har inte hängt med i utvecklingen av nya atomklockor:Optiska klockor som använder lasrar som interagerar med ultrakalla atomer för att ge en mycket raffinerad tickande. "För att få full nytta av optiska klockor i UTC, det är viktigt att förbättra metoder för jämförelse av klockor över hela världen, sade Gérard Petit, fysiker vid tidsavdelningen vid BIPM.

    I denna nya forskning, högenergiska extragalaktiska radiokällor ersätter satelliter som källa för referenssignaler. Gruppen Sekido Mamoru på NICT designade två speciella radioteleskop, en utplacerad i Japan och den andra i Italien, att realisera kopplingen med hjälp av tekniken Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Dessa teleskop är kapabla att observera över en stor bandbredd, medan antennplattor på bara 2,4 meter i diameter håller dem transporterbara. "Vi vill visa att bredbands-VLBI har potential att vara ett kraftfullt verktyg inte bara för geodesi och astronomi, men också för metrologi." kommenterade Sekido. För att nå den känslighet som krävs, de små antennerna arbetade tillsammans med ett större 34 m radioteleskop i Kashima, Japan under mätningarna från 14 oktober 2018 till 14 februari 2019. För radioteleskopet Kashima, dessa var bland de sista observationerna innan teleskopet skadades irreparabelt av tyfonen Faxai i september 2019.

    Målet med samarbetet var att koppla samman två optiska klockor i Italien och Japan, åtskilda av ett baslinjeavstånd på 8700 km. Dessa klockor laddar hundratals ultrakalla atomer i ett optiskt gitter, en atomfälla konstruerad med laserljus. Klockorna använder olika atomarter:ytterbium för klockan vid INRIM och strontium vid NICT. Båda är kandidater för en framtida omdefiniering av tvåan i International System of Units (SI). "I dag, den nya generationen optiska klockor driver på för att se över definitionen av den andra. Vägen till en omdefiniering måste möta utmaningen att jämföra klockor globalt, på interkontinental skala, med bättre prestationer än idag, " sa Davide Calonico, chef för divisionen Quantum Metrology and Nanotechnology och koordinator för forskningen vid INRIM.

    Sambandet är möjligt genom att observera kvasarer miljarder ljusår bort:radiokällor som drivs av svarta hål som väger miljontals solmassor, men så långt borta att de kan betraktas som fasta punkter på himlen. Teleskopen siktar på en annan stjärna med några minuters mellanrum för att kompensera för effekterna av atmosfären. "Vi observerade signalen inte från satelliter, men från kosmiska radiokällor, " kommenterade IDO Tetsuya, chef för "Space-Time Standards Laboratory" och koordinator för forskningen vid NICT. "VLBI kan tillåta oss i Asien att få tillgång till UTC beroende på vad vi kan förbereda själva, " lade IDO till.

    Antenner som de transportabla som används i dessa mätningar kan installeras direkt på laboratorier som utvecklar optiska klockor runt om i världen. Enligt Sekido, "ett globalt optiskt klocknätverk anslutet av VLBI kan realiseras genom samarbete mellan de internationella gemenskaperna för metrologi och geodesi, precis som bredbands-VLBI-nätverket för VLBI Global Observing System (VGOS) redan har etablerats, " medan Petit kommenterade, "väntar på långväga optiska länkar, denna forskning visar att det fortfarande finns mycket att vinna på radiolänkar, där VLBI med transportabla antenner kan komplettera Global Navigation Satellite Systems och telekommunikationssatelliter."

    Förutom att förbättra internationell tidtagning, en sådan infrastruktur öppnar också nya sätt att studera grundläggande fysik och allmän relativitetsteori, att utforska variationer av jordens gravitationsfält, eller till och med variationen av fundamentala konstanter som ligger bakom fysiken. Federico Perini, koordinator för forskningen vid INAF, kommenterade, "Vi är stolta över att ha varit en del av detta samarbete som hjälper till att nå ett så stort steg framåt i utvecklingen av en teknik som, använda de mest avlägsna radiokällorna i universum, gör det möjligt att mäta de frekvenser som genereras av två av de mest exakta klockorna här på jorden." avslutar Calonico, "Vår jämförelse med VLBI ger ett nytt perspektiv för att förbättra och undersöka nya metoder för klockjämförelser, tittar också på kontamineringen mellan olika discipliner."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com