Hvordan astronomer kan udnytte fibernet og lytte til det dybe rum

For første gang, forskere har vist, at en stabil frekvensreference pålideligt kan overføres mere end 300 kilometer over et standard fiberoptisk telekommunikationsnetværk og bruges til at synkronisere to radioteleskoper. Stabile frekvensreferencer, som bruges til at kalibrere ure og instrumenter, der foretager ultrapræcise målinger, er normalt kun tilgængelige på faciliteter, der genererer dem ved hjælp af dyre atomure. Den nye teknologi kunne give forskere overalt adgang til frekvensstandarden ved blot at trykke på telekommunikationsnetværket.

Evnen til at sende stabile frekvensreferencer over telekommunikationsnetværket kan være særligt nyttig til radioteleskoparrays såsom Square Kilometer Array (SKA), en international indsats for at bygge verdens største radioteleskop ved hjælp af arrays i Australien og Sydafrika. Når den er færdig, SKA vil registrere svage radiobølger fra dybt rum med en følsomhed, der er omkring 50 gange større end Hubble -teleskopets. Individuelle radioteleskoper vil blive forbundet for at skabe et samlet opsamlingsområde på omkring 1 million kvadratmeter.

At forbinde radioteleskoper i en matrix kræver, at hvert teleskop har adgang til et atomur for at registrere det præcise tidspunkt, hvor et signal detekteres fra et objekt i rummet. Fokusering af alle teleskoper på det samme objekt og derefter beregning af de små forskelle i tiden for signalet til at nå hvert teleskop gør det muligt for forskere at kombinere alle observationer og lokalisere objektets placering og andre egenskaber. Stabile transmitterede referencer kunne bruges til at kalibrere den relative tid ved hvert teleskop, eliminerer behovet for flere atomure i et radioteleskoparray.

I Optica , forskere fra et konsortium af australske institutioner rapporterer om den vellykkede transmission af en stabil frekvensreference mellem to radioteleskoper via et fiberforbindelse og demonstrerer, at teknikkens ydeevne er bedre end brugen af ​​et atomur ved hvert teleskop. Konsortiet omfattede Australiens Academic and Research Network (AARNet), Australian National University, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), det nationale måleinstitut, Macquarie University og University of Adelaide.

Resultaterne viser, at teknikken er i stand til at kompensere for signaludsving i det fiberoptiske netværk indført af miljøfaktorer såsom temperaturændringer eller vibrationer. Demonstrationen blev endda udført over et netværk, der transmitterede levende teletrafik på samme tid.

Test med live netværkstrafik

"Ved at køre eksperimentet på optiske fibre, der også bærer normal trafik, vi viste, at transmission af den stabile frekvensstandard ikke påvirker data eller telefonopkald på de andre kanaler, sagde Kenneth Baldwin, et medlem af forskerholdet fra Australian National University. "Dette er nødvendigt for at få samarbejde med de teleselskaber, der ejer disse fibernet."

Vigtigere, den nye teknik kræver ingen væsentlige ændringer i resten af ​​det fiberoptiske netværk og er nem at implementere. For at holde frekvensen stabil under transmission, forskerne sender signalet gennem netværket til en destination og reflekterer det derefter tilbage. Retursignalet bruges til at bestemme, om der er sket ændringer. Efter hver rundtur, ethvert transmitteret frekvensskift subtraheres passivt for nøjagtigt at kompensere for de målte ændringer.

For hver 100 kilometer fiber, rundrejsen tager omkring 1 millisekund. Selvom kompensationsprocessen sker meget hurtigt, tiden i den modtagende ende kan glide under rundrejsen. For at løse dette problem, en kvartsoscillator på fjerntliggende sted holder tiden stabil mellem rundrejser.

"Kvartsoscillatorens frekvens vil også i sidste ende drive, så vores unikke proces kombinerer lokal stabilisering med kvartsoscillatoren i korte tidslængder, med den længere - større end rundturstid - stabilisering leveret af den transmitterede stabile frekvensreferenceteknik, "sagde Baldwin." Denne yderst stabile metode til transmission af frekvensreferencen tillader et atomur, som kostede omkring to hundrede tusinde dollars, skal udskiftes med et system, der kun koster nogle få titusinder dollars. "

Demonstrerer langdistancetransmission

For at demonstrere deres metode, forskerne begyndte med en type atomur kendt som en brintmaser placeret ved CSIRO Australia Telescope Compact Array (ATCA). De aftrykte radiofrekvensreferencesignalet fra maser på en laserstråle, der derefter rejste gennem en 155 kilometer lang AARNet-fiber og flere forstærkningstrin til et andet radioteleskop, og tilbage igen. Når kompensationsprocessen begyndte, referencen blev hentet af radioteleskopet i den anden ende af forbindelsen.

Forskerne brugte den stabile frekvensreference til at kalibrere begge teleskoper, som blev brugt til at undersøge det samme objekt i rummet. De fandt ud af, at snarere end det stabile frekvenssignal, der begrænser teleskopernes ydeevne, atmosfæriske forskelle mellem de to steder var den begrænsende faktor. For at eliminere atmosfærisk interferens og bedre forstå, hvordan den nye metode forbedrede teleskopets ydeevne, forskerne brugte derefter kun en teleskopantenne på ATCA udstyret med to separate modtagere til at foretage målinger. Denne "delt antenne" -metode gjorde det muligt at sammenligne en modtager stabiliseret af brintmaser med den anden modtager stabiliseret ved hjælp af den stabile frekvensreference, der blev sendt på en 310 kilometer rundtur gennem fiberen.

"Vores eksperimenter viste, at den transmitterede frekvensreference var meget stabil, betydeligt mere stabil end jordens atmosfære, "sagde Baldwin." Vores tilgang til nøjagtigt at replikere det stabile frekvenssignal fra et atomur udførte mindst lige så godt som to atomure, som kan udvise små forskelle fra hinanden. "

Forskerne siger, at deres demonstration viser, at den nye metode er klar til implementering af radioastronomer, der ønsker at undgå at bruge flere atomure på tværs af et teleskoparray. Metoden kan bruges over endnu længere afstande ved at bruge flere forstærkere til at øge signalet. Dette ville også gøre det muligt at udsende stabile frekvensreferencer på tværs af et nationalt fiberoptisk netværk, hvor enhver videnskabsmand med adgang til et telekommunikationsnetværk kunne bruge dem.

"Da atomure først blev opfundet, ingen troede, at de ville levere tidsstandarder, der ville blive brugt til GPS-navigation, for eksempel, "sagde Baldwin." Vi håber, at på samme måde, let adgang til frekvensstandarder, der er lige så stabile som dem, der findes i et nationalt mållaboratorium, vil være en aktiverende teknologi til mange applikationer, der kræver præcis timing og præcise frekvensmålinger. "