Ученые впервые сверили всемирные атомные часы по звездам

Астрономы и эксперты по точному времени, объединив свои усилия, создали новую систему более точной сверки атомных часов по всему миру по радиосигналам, исходящим от далеких звезд. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Атомные часы — прибор для измерения времени, в котором в качестве эталона используют колебания, происходящие на уровне атомов или молекул. Международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя уровнями основного состояния атома цезия-133.

Такая точность нужна для определения положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, беспилотных автомобилей. Атомные часы используются в системах спутниковой и наземной телекоммуникаций, в базовых станциях мобильной связи, а также международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

В частности, международное время, рекомендованное для использования в гражданских целях — UTC, или всемирное координированное время — ежедневно рассчитывается Международным бюро мер и весов (BIPM) во Франции на основе сверки атомных часов по всей планете через спутниковую связь.

Однако у этого метода есть свои погрешности — современные оптические атомные часы, созданные на основе лазеров, взаимодействующих с ультрахолодными атомами, обеспечивают большую точность, чем спутниковая связь, которая их связывает.

Астрономы и эксперты по точному времени из Национального института информационных и коммуникационных технологий Японии (NICT), Национального института метрологии Италии (INRIM), Национального института астрофизики Италии (INAF) и бюро BIPM предложили в качестве источников опорных сигналов для сверки атомных часов использовать волны внегалактических радиоисточников.

Для этого исследователи под руководством Мамуру Секидо (Mamoru Sekido) из NICT для реализации техники интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI) разработали два специальных радиотелескопа, один из которых был развернут в Японии, а другой в Италии. Эти телескопы могут вести наблюдения в широком диапазоне частот, а антенны диаметром всего 2,4 метра позволяют их перемещать.

«Мы хотим показать, что широкополосный VLBI может стать мощным инструментом не только в геодезии и астрономии, но и в метрологии», — приводятся в пресс-релизе NICT слова Секидо.

Чтобы достичь требуемой чувствительности, во время тестовых испытаний, проводимых с 14 октября 2018 года по 14 февраля 2019 года, маленькие антенны работали в тандеме с более крупным 34-метровым радиотелескопом в Кашиме, Япония.

Целью было соединить оптические часы, расположенные на разных континентах, на расстоянии 8700 километров друг от друга, и работающие, к тому же, на разных атомных источниках. Часы в INRIM в Италии используют иттербий, а часы в NICT в Японии — стронций. Кстати, и те, и другие — кандидаты на будущее переопределение секунды в Международной системе единиц (СИ).

«Сегодня новое поколение оптических часов требует пересмотра определения секунды, — говорит Давиде Калонико (Davide Calonico), координатор исследований в INRIM. — Путь к переопределению столкнется с проблемой сравнения часов во всем мире, в межконтинентальном масштабе, с более высокими характеристиками, чем сегодня».

В качестве источников сигнала ученые взяли квазары, находящиеся на расстоянии миллиардов световых лет. Эти радиоисточники, питаемые черными дырами с массой в миллионы солнечных масс, настолько удалены от нас, что их можно, по мнению ученых, считать фиксированными точками в небе.

Авторы полагают, что переносные антенны, подобные тем, что использовались в эксперименте, могут устанавливаться непосредственно в лабораториях, разрабатывающих оптические часы по всему миру, а также в национальных бюро точного времени.

«VLBI позволит нам в Азии получить доступ к всемирному координированному времени, полагаясь на собственные измерения», — объясняет Тецуя Идо (Tetsuya Ido), директор Лаборатории космических стандартов и координатор исследований в NICT.

Помимо улучшения международного хронометража, такой подход, по мнению авторов, открывает новые возможности изучения вариаций гравитационного поля Земли и фундаментальных констант, лежащих в основе физики и общей теории относительности.