Signaler fra fjerne stjerner forbinder optiske atomure over Jorden for første gang

Brug af radioteleskoper til at observere fjerne stjerner, videnskabsmænd har forbundet optiske atomure på forskellige kontinenter. Resultaterne blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturfysik af et internationalt samarbejde mellem 33 astronomer og ureksperter ved National Institute of Information and Communications Technology (NICT, Japan), Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, Italien), Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italien), og Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Frankrig).

BIPM i Sèvres nær Paris beregner rutinemæssigt den internationale tid, der anbefales til civil brug (UTC, Koordineret universel tid) fra sammenligning af atomure via satellitkommunikation. Imidlertid, de satellitforbindelser, der er afgørende for at opretholde en synkroniseret global tid, har ikke fulgt med udviklingen af ​​nye atomure:Optiske ure, der bruger lasere, der interagerer med ultrakolde atomer, for at give et meget raffineret tik. "For at få det fulde udbytte af optiske ure i UTC, det er vigtigt at forbedre metoder til sammenligning af ur på verdensplan, sagde Gérard Petit, fysiker ved Tidsafdelingen på BIPM.

I denne nye forskning, højenergiske ekstragalaktiske radiokilder erstatter satellitter som kilde til referencesignaler. Gruppen af ​​Sekido Mamoru på NICT designet to specielle radioteleskoper, den ene udstationeret i Japan og den anden i Italien, at realisere forbindelsen ved hjælp af teknikken Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Disse teleskoper er i stand til at observere over en stor båndbredde, mens antenneskåle på kun 2,4 meter i diameter holder dem transportable. "Vi ønsker at vise, at bredbånds-VLBI har potentiale til at være et kraftfuldt værktøj ikke kun til geodæsi og astronomi, men også til metrologi." kommenterede Sekido. For at nå den nødvendige følsomhed, de små antenner arbejdede sammen med et større 34 m radioteleskop i Kashima, Japan under målingerne taget fra 14. oktober 2018 til 14. februar 2019. Til Kashima-radioteleskopet, disse var blandt de sidste observationer, før teleskopet blev uopretteligt beskadiget af tyfonen Faxai i september 2019.

Målet med samarbejdet var at forbinde to optiske ure i Italien og Japan, adskilt af en basislinjeafstand på 8700 km. Disse ure indlæser hundredvis af ultrakolde atomer i et optisk gitter, en atomfælde konstrueret med laserlys. Urene bruger forskellige atomarter:ytterbium for uret ved INRIM og strontium ved NICT. Begge er kandidater til en fremtidig omdefinering af den anden i International System of Units (SI). "I dag, den nye generation af optiske ure presser på for at revidere definitionen af ​​det andet. Vejen til en omdefinering skal stå over for udfordringen med at sammenligne ure globalt, på interkontinental skala, med bedre præstationer end i dag, " sagde Davide Calonico, leder af kvantemetrologi- og nanoteknologidivisionen og koordinator for forskningen på INRIM.

Forbindelsen er mulig ved at observere kvasarer milliarder af lysår væk:radiokilder drevet af sorte huller, der vejer millioner af solmasser, men så fjerne, at de kan betragtes som faste punkter på himlen. Teleskoperne sigter mod en anden stjerne med få minutters mellemrum for at kompensere for virkningerne af atmosfæren. "Vi observerede signalet ikke fra satellitter, men fra kosmiske radiokilder, " kommenterede IDO Tetsuya, direktør for "Space-Time Standards Laboratory" og koordinator for forskningen på NICT. "VLBI kan tillade os i Asien at få adgang til UTC afhængigt af, hvad vi selv kan forberede, " tilføjede IDO.

Antenner som de transportable, der bruges i disse målinger, kan installeres direkte på laboratorier, der udvikler optiske ure rundt om i verden. Ifølge Sekido, "et globalt optisk urnetværk forbundet med VLBI kan realiseres ved samarbejde mellem de internationale samfund inden for metrologi og geodæsi, ligesom bredbånds-VLBI-netværket i VLBI Global Observing System (VGOS) allerede er etableret, " mens Petit kommenterede, "venter på langdistance optiske links, denne forskning viser, at der stadig er meget at vinde ved radioforbindelser, hvor VLBI med transportable antenner kan komplementere Global Navigation Satellite Systems og telekommunikationssatellitter."

Udover at forbedre international tidtagning, en sådan infrastruktur åbner også nye måder at studere grundlæggende fysik og generel relativitetsteori, at udforske variationer af Jordens gravitationsfelt, eller endda variationen af ​​fundamentale konstanter, der ligger til grund for fysikken. Federico Perini, koordinator for forskningen ved INAF, kommenterede, "Vi er stolte over at have været en del af dette samarbejde, der hjælper med at opnå et så stort skridt fremad i udviklingen af ​​en teknik, som ved at bruge de fjerneste radiokilder i universet, gør det muligt at måle de frekvenser, der genereres af to af de mest nøjagtige ure her på Jorden." Calonico konkluderer, "Vores sammenligning med VLBI giver et nyt perspektiv til at forbedre og undersøge nye metoder til sammenligning af ur, ser også på forureningen mellem forskellige discipliner."