science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Signalen van verre sterren verbinden voor het eerst optische atoomklokken op aarde

Antennes en optische roosterklokken gebruikt. Linksboven:2,4 m antenne geïnstalleerd bij INAF, Italië. Midden boven:2,4 m antenne geïnstalleerd bij NICT, Japan. Rechtsboven:34 m antenne bij NICT, Japan. Linksonder:De ytterbium optische roosterklok die bij INRIM werkte, Italië. Rechtsonder:De strontium optische roosterklok bij NICT, Japan. Krediet:Nationaal Instituut voor Informatie- en Communicatietechnologie (NICT), behalve linksonder. Krediet:Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM))

Met behulp van radiotelescopen die verre sterren observeren, wetenschappers hebben optische atoomklokken op verschillende continenten met elkaar verbonden. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurfysica door een internationale samenwerking tussen 33 astronomen en klokexperts van het National Institute of Information and Communications Technology (NICT, Japan), het Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, Italië), het Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italië), en het Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Frankrijk).

De BIPM in Sèvres bij Parijs berekent routinematig de internationale tijd die wordt aanbevolen voor civiel gebruik (UTC, Coordinated Universal Time) uit de vergelijking van atoomklokken via satellietcommunicatie. Echter, de satellietverbindingen die essentieel zijn voor het in stand houden van een gesynchroniseerde wereldtijd hebben de ontwikkeling van nieuwe atoomklokken niet bijgehouden:optische klokken die lasers gebruiken die in wisselwerking staan ​​met ultrakoude atomen om een ​​zeer verfijnde tik te geven. "Om optimaal te profiteren van optische klokken in UTC, het is belangrijk om de wereldwijde klokvergelijkingsmethoden te verbeteren, " zei Gerard Petit, natuurkundige bij de afdeling Tijd van het BIPM.

In dit nieuwe onderzoek hoog-energetische extragalactische radiobronnen vervangen satellieten als bron van referentiesignalen. De groep van Sekido Mamoru bij NICT ontwierp twee speciale radiotelescopen, een ingezet in Japan en de andere in Italië, om de verbinding te realiseren met behulp van de techniek van Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Deze telescopen zijn in staat tot waarnemingen over een grote bandbreedte, terwijl antenneschotels met een diameter van slechts 2,4 meter ze transporteerbaar houden. "We willen laten zien dat breedband VLBI het potentieel heeft om een ​​krachtig hulpmiddel te zijn, niet alleen voor geodesie en astronomie, maar ook voor metrologie", aldus Sekido. Om de vereiste gevoeligheid te bereiken, de kleine antennes werkten samen met een grotere 34 m radiotelescoop in Kashima, Japan tijdens de metingen van 14 oktober 2018 tot 14 februari 2019. Voor de Kashima-radiotelescoop, dit waren enkele van de laatste waarnemingen voordat de telescoop in september 2019 onherstelbaar werd beschadigd door tyfoon Faxai.

Het doel van de samenwerking was om twee optische klokken in Italië en Japan met elkaar te verbinden, gescheiden door een basislijnafstand van 8700 km. Deze klokken laden honderden ultrakoude atomen in een optisch rooster, een atoomval ontworpen met laserlicht. De klokken gebruiken verschillende atoomsoorten:ytterbium voor de klok bij INRIM en strontium bij NICT. Beide zijn kandidaten voor een toekomstige herdefiniëring van de tweede in het International System of Units (SI). "Vandaag, de nieuwe generatie optische klokken dringt aan op herziening van de definitie van de tweede. De weg naar een herdefinitie moet de uitdaging aangaan om klokken wereldwijd te vergelijken, op intercontinentale schaal, met betere prestaties dan vandaag, " zei Davide Calonico, hoofd van de afdeling Quantum Metrology and Nanotechnology en coördinator van het onderzoek bij INRIM.

De verbinding is mogelijk door quasars op miljarden lichtjaren afstand te observeren:radiobronnen aangedreven door zwarte gaten met een gewicht van miljoenen zonsmassa's, maar zo ver weg dat ze als vaste punten aan de hemel kunnen worden beschouwd. De telescopen richten om de paar minuten op een andere ster om de effecten van de atmosfeer te compenseren. "We hebben het signaal niet van satellieten waargenomen, maar van kosmische radiobronnen, " merkte IDO Tetsuya op, directeur van het "Space-Time Standards Laboratory" en coördinator van het onderzoek bij NICT. "VLBI kan ons in Azië toegang geven tot de UTC op basis van wat we zelf kunnen voorbereiden, " voegde IDO eraan toe.

Antennes zoals de verplaatsbare die bij deze metingen worden gebruikt, kunnen direct worden geïnstalleerd in de laboratoria die optische klokken over de hele wereld ontwikkelen. Volgens Sekido, "een wereldwijd optisch kloknetwerk verbonden door VLBI kan worden gerealiseerd door samenwerking tussen de internationale gemeenschappen van metrologie en geodesie, net zoals het breedband VLBI-netwerk van het VLBI Global Observing System (VGOS) al is opgezet, " terwijl Petit commentaar gaf, "wachten op optische verbindingen over lange afstanden, uit dit onderzoek blijkt dat er nog veel te winnen is bij radioverbindingen, waar VLBI met verplaatsbare antennes de wereldwijde satellietnavigatiesystemen en telecommunicatiesatellieten kan aanvullen."

Naast het verbeteren van de internationale tijdwaarneming, een dergelijke infrastructuur opent ook nieuwe manieren om fundamentele fysica en algemene relativiteitstheorie te bestuderen, om variaties van het zwaartekrachtveld van de aarde te onderzoeken, of zelfs de variatie van fundamentele constanten die ten grondslag liggen aan de fysica. Federico Perini, coördinator van het onderzoek bij INAF, commentaar, "We zijn er trots op deel uit te maken van deze samenwerking die heeft geholpen om zo'n grote stap voorwaarts te zetten in het ontwikkelen van een techniek die, met behulp van de meest afgelegen radiobronnen in het heelal, maakt het mogelijk om de frequenties te meten die worden gegenereerd door twee van de meest nauwkeurige klokken hier op aarde", besluit Calonico, "Onze vergelijking met VLBI geeft een nieuw perspectief om nieuwe methoden voor klokvergelijkingen te verbeteren en te onderzoeken, ook kijkend naar de besmetting tussen verschillende disciplines."