Используя радиотелескопы, наблюдающие далекие звезды, ученые соединили оптические атомные часы на разных континентах. Результаты были опубликованы в научном журнале Nature Physics в результате международного сотрудничества 33 астрономов и экспертов в Национальном институте информационных и коммуникационных технологий (NICT, Япония), Национальном институте метрологических исследований (INRIM, Италия), Национальном институте астрофизики (INAF, Италия) и Международном бюро мер и весов (BIPM, Франция).
Международное бюро мер и весов (BIPM) в Севре под Парижем обычно рассчитывает международное время, рекомендованное для использования в гражданских целях (UTC, всемирное координированное время), на основе сравнения атомных часов через спутниковую связь. Однако спутниковые связи, которые необходимы для поддержания синхронизированного глобального времени, отстают от разработки новых атомных часов. Это оптические часы, в которых используются лазеры, взаимодействующие с ультрахолодными атомами для очень точного отчета времени.
«Чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами оптических часов в UTC, важно улучшить методы сравнения мировых часов», — объясняет Жерар Пети, физик из отдела времени BIPM.
Атомные часы — прибор для измерения времени, в котором в качестве эталона используют колебания, происходящие на уровне атомов или молекул. Международная система единиц определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя уровнями основного состояния атома цезия-133.
Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) невозможны без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.
Однако у атомных часов есть свои сложности — современные оптические атомные часы, которые созданы на основе лазеров, взаимодействующих с ультрахолодными атомами, обеспечивают гораздо большую точность, чем спутниковая связь, которая их связывает.
В новом исследовании высокоэнергетические внегалактические радиоисточники заменяют спутники в качестве источников опорных сигналов. Группа Секидо Мамору из NICT разработала два специальных радиотелескопа, один из которых развернули в Японии, а другой в Италии, чтобы реализовать соединение с использованием метода радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (Very-long-baseline interferometry, VLBI). Эти телескопы могут вести наблюдения в широком диапазоне частот, а антенны диаметром всего 2,4 метра позволяют их переносить.
«Мы хотим показать, что широкополосный VLBI может стать мощным инструментом не только в геодезии и астрономии, но и в метрологии», — объясняет Секидо.
Целью сотрудничества было соединение двух оптических часов в Италии и Японии, разделенных базовым расстоянием 8700 км. Эти часы загружают сотни ультрахолодных атомов в оптическую решетку, атомную ловушку, созданную с помощью лазерного света. В часах используются разные атомные частицы: иттербий для часов в INRIM и стронций в NICT. Оба являются кандидатами на будущее переопределение секунды в Международной системе единиц (СИ).
«Сегодня новое поколение оптических часов подталкивает к пересмотру определения секунды. Путь к переопределению должен столкнуться с проблемой сравнения часов в глобальном, межконтинентальном масштабе, с лучшими характеристиками, чем сегодня», — заявил Давид Калонико, глава отдела квантовой метрологии и нанотехнологий и координатор исследований в INRIM.
Связь возможна при наблюдении квазаров на расстоянии миллиардов световых лет: радиоисточников, питаемых черными дырами с массой в миллионы солнечных масс, но настолько удаленных, что их можно считать фиксированными точками в небе. Телескопы нацелены на новую звезду каждые несколько минут, чтобы компенсировать влияние атмосферы. «Мы наблюдали сигнал не со спутников, а от космических радиоисточников», — прокомментировал проект Идо Тецуя, директор Лаборатории космических стандартов и координатор исследований в NICT.
Помимо улучшения международного хронометража, такая инфраструктура также открывает новые способы изучения фундаментальной физики и общей теории относительности, изучения вариаций гравитационного поля Земли или даже вариаций фундаментальных констант, лежащих в основе физики.
Читать также
На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком
Посмотрите на самые близкие снимки поверхности Солнца
Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное