Pulsar inkapslad i supernovabubbla. Kredit:ESA/XMM-Newton/ L. Oskinova/M. Guerrero; CTIO/R. Gruendl/Y.H. Chu
ESA:s tekniska center i Nederländerna har börjat köra en pulsarbaserad klocka. "PulChron"-systemet mäter tidens gång med hjälp av millisekundsfrekventa radiopulser från flera snabbt snurrande neutronstjärnor.
Verkar sedan slutet av november, detta pulsarbaserade tidtagningssystem är värd i Galileo Timing and Geodetic Validation Facility i ESA:s ESTEC-anläggning, i Noordwijk i Nederländerna, och förlitar sig på pågående observationer av en fem-stark uppsättning radioteleskop över hela Europa.
Neutronstjärnor är den tätaste formen av observerbar materia i kosmos, bildas av den kollapsade kärnan av exploderande stjärnor. Liten i kosmiska termer, i storleksordningen ett dussin kilometer i diameter, de har fortfarande en högre massa än jordens sol.
En pulsar är en typ av snabbt roterande neutronstjärna med ett magnetfält som avger en strålning från sin pol. På grund av sitt spinn – som hålls stadigt av sin extrema täthet – verkar pulsarer sett från jorden avge mycket regelbundna radioskurar – så mycket att deras upptäckare 1967, Storbritanniens astronom Jocelyn Bell Burnell, ansåg först att de kunde vara bevis på "små gröna män."
"PulChron syftar till att demonstrera effektiviteten av en pulsarbaserad tidsskala för generering och övervakning av satellitnavigeringstid i allmänhet, och Galileo System Time i synnerhet, " förklarar navigationsingenjör Stefano Binda, övervaka PulChron-projektet.
Atomklockor vid ESTEC:s navigationslaboratorium:behållaren längst till höger på bilden rymmer en aktiv vätemaser-atomklocka - en storleksordning mer exakt än de passiva vätemasarna ombord på varje Galileo-satellit, sig exakt till en sekund på tre miljoner år. Stället till vänster innehåller ytterligare cesiumklockor, med ett klockjämförelsesystem till vänster och ett klockdistributionssystem för att skicka data till användare som är synliga på vänster sida av bilden. Kredit:ESA - Anneke Le Floc'h
"En tidsskala baserad på pulsmätningar är vanligtvis mindre stabil än en som använder atom- eller optiska klockor på kort sikt, men den kan vara konkurrenskraftig på mycket lång sikt, under flera decennier eller mer, bortom varje enskild atomurs arbetsliv.
"Dessutom, den här pulsartidsskalan fungerar helt oberoende av vilken atomklockteknologi som än används – den förlitar sig inte på växlar mellan atomenergitillstånd utan neutronstjärnornas rotation."
PulChron hämtar partier av pulsarmätningar från de fem radioteleskopen i 100 m-klassen som består av European Pulsar Timing Array – Westerbork Synthesis Radio Telescope i Nederländerna, Tysklands radioteleskop Effelsberg, Lovell-teleskopet i Storbritannien, Frankrikes radioteleskop Nancay och radioteleskopet Sardinien i Italien.
Denna multinationella ansträngning övervakar 18 mycket exakta pulsarer på den europeiska himlen för att söka upp eventuella tidsavvikelser, potentiella bevis på gravitationsvågor – fluktuationer i rymdtidens struktur orsakade av kraftfulla kosmiska händelser.
För PulChron, dessa radioteleskopmätningar används för att styra utsignalen från en aktiv vätemaser-atomklocka med utrustning baserad i Galileo Timing and Geodetic Validation Facility – som kombinerar dess extrema kort- och medellångtidsstabilitet med pulsarernas tillförlitlighet på längre sikt. En "pappersklocka"-post genereras också av mätningarna, för efterföljande efterbearbetningskontroller.
Installation av PulChron-systemet, ställa in en atomklocka med hjälp av pulser i millisekundskala från snabbt snurrande pulsarer. Radioteleskopmätningar används för att styra utsignalen från en aktiv vätemaser-atomklocka med utrustning baserad i ESA:s Galileo Timing and Geodetic Validation Facility – som kombinerar dess extrema kort- och medellångtidsstabilitet med pulsarernas tillförlitlighet på längre sikt. En "pappersklocka"-post genereras också av mätningarna, tills senare, efterbearbetningskontroller. Kredit:European Space Agency
ESA etablerade faciliteten för timing och geodetisk validering i Galileo-programmets tidiga dagar, först för att förbereda ESA:s två GIOVE-testsatelliter och sedan för att stödja det världsomspännande Galileo-systemet, baserad på "Galileo System Time" som måste förbli exakt till några miljarddels sekund. Faciliteten fortsätter att fungera som en oberoende måttstock för Galileos prestanda, kopplade till övervakningsstationer över hela världen, samt ett verktyg för anomaliutredning.
Stefano tillägger:"TGVF gav en perfekt möjlighet att vara värd för PulChron eftersom den är kapabel att integrera sådana nya element med liten ansträngning, och har en lång tradition av tidsapplikationer, har använts till och med för att synkronisera tid- och frekvensoffset för själva Galileo-satelliterna."
PulChrons noggrannhet övervakas ner till några miljarddelar av en sekund med hjälp av ESA:s intilliggande UTC-laboratorium, som utnyttjar tre sådana atomära vätemaserklockor plus en trio cesiumklockor för att producera en mycket stabil tidssignal, bidra till inställningen av koordinerad universell tid, UTC – världens tid.
Den gradvisa omdirigeringen av pulsartid från ESTEC:s UTC-tid kan därför spåras – förväntad med en hastighet av cirka 200 biljondelar av en sekund dagligen.
