Tín hiệu từ các ngôi sao xa xôi lần đầu tiên kết nối đồng hồ nguyên tử quang học trên Trái đất

Sử dụng kính thiên văn vô tuyến quan sát các ngôi sao ở xa, các nhà khoa học đã kết nối đồng hồ nguyên tử quang học trên các lục địa khác nhau. Kết quả được công bố trên tạp chí khoa học Nature Physics bởi sự hợp tác quốc tế giữa 33 nhà thiên văn học và chuyên gia đồng hồ tại Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông Quốc gia (NICT, Nhật Bản), Nhà thờ học Istituto Nazionale di Ricerca (INRIM, Ý), Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Ý) và Văn phòng International des Poids et Mesures (BIPM, Pháp).

BIPM ở Sèvres gần Paris thường xuyên tính toán giờ quốc tế được khuyến nghị cho mục đích dân dụng (UTC, Giờ phối hợp quốc tế) từ việc so sánh đồng hồ nguyên tử qua liên lạc vệ tinh. Tuy nhiên, các kết nối vệ tinh cần thiết để duy trì thời gian toàn cầu đồng bộ đã không theo kịp sự phát triển của đồng hồ nguyên tử mới: đồng hồ quang học sử dụng tia laze tương tác với các nguyên tử siêu lạnh để tạo ra tiếng kêu rất tinh vi. “Để tận dụng hết lợi ích của đồng hồ quang học trong giờ UTC, điều quan trọng là phải cải thiện các phương pháp so sánh đồng hồ trên toàn thế giới.” Gérard Petit, nhà vật lý tại Phòng Thời gian tại BIPM cho biết.

Trong nghiên cứu mới này, các nguồn vô tuyến ngoài thiên hà có năng lượng cao thay thế các vệ tinh làm nguồn tín hiệu tham chiếu. Nhóm SEKIDO Mamoru tại NICT đã thiết kế hai kính thiên văn vô tuyến đặc biệt, một kính thiên văn vô tuyến được triển khai tại Nhật Bản và một kính viễn vọng khác ở Ý, để hiện thực hóa mối liên hệ bằng cách sử dụng kỹ thuật Đo giao thoa đường cơ sở rất dài (VLBI). Những kính thiên văn này có khả năng quan sát trên một băng thông lớn trong khi các đĩa ăng ten có đường kính chỉ 2,4 mét giúp chúng có thể vận chuyển được. SEKIDO đã nhận xét: “Chúng tôi muốn chứng minh rằng VLBI băng thông rộng có tiềm năng trở thành một công cụ mạnh mẽ không chỉ cho ngành trắc địa và thiên văn học mà còn cho cả đo lường”. Để đạt được độ nhạy cần thiết, các ăng ten nhỏ đã hoạt động song song với kính viễn vọng vô tuyến 34 m lớn hơn ở Kashima, Nhật Bản trong các phép đo được thực hiện từ ngày 14 tháng 10 năm 2018 đến ngày 14 tháng 2 năm 2019.

Mục tiêu của sự hợp tác là kết nối hai đồng hồ quang học ở Ý và Nhật Bản, cách nhau một khoảng cách đường cơ sở là 8.700 km. Những chiếc đồng hồ này tải hàng trăm nguyên tử cực lạnh trong một mạng tinh thể quang học, một bẫy nguyên tử được thiết kế bằng ánh sáng laser. Đồng hồ sử dụng các loại nguyên tử khác nhau: ytterbium cho đồng hồ ở INRIM và stronti ở NICT. Cả hai đều là những ứng cử viên cho việc định nghĩa lại thứ hai trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế (SI) trong tương lai. Davide Calonico, người đứng đầu cho biết: “Ngày nay, thế hệ đồng hồ quang học mới đang thúc đẩy việc xem xét lại định nghĩa của đồng hồ thứ hai. Con đường dẫn đến định nghĩa lại phải đối mặt với thách thức so sánh đồng hồ trên toàn cầu, ở quy mô liên lục địa, với hiệu suất tốt hơn hiện nay. “

Mối liên hệ có thể thực hiện được bằng cách quan sát các chuẩn tinh ở cách xa hàng tỷ năm ánh sáng: các nguồn vô tuyến được cung cấp bởi các lỗ đen nặng hàng triệu khối lượng mặt trời, nhưng ở khoảng cách xa đến mức chúng có thể được coi là các điểm cố định trên bầu trời. Các kính thiên văn nhắm vào một ngôi sao khác sau mỗi vài phút để bù đắp ảnh hưởng của bầu khí quyển. “Chúng tôi quan sát tín hiệu không phải từ vệ tinh mà từ các nguồn vô tuyến vũ trụ”, IDO Tetsuya, giám đốc “Phòng thí nghiệm Tiêu chuẩn Không gian-Thời gian” và điều phối viên của nghiên cứu tại NICT, nhận xét. “VLBI có thể cho phép chúng tôi ở Châu Á truy cập UTC dựa trên những gì chúng tôi có thể tự chuẩn bị.”

Ăng-ten như loại có thể vận chuyển được sử dụng trong các phép đo này có thể được lắp đặt trực tiếp tại các phòng thí nghiệm phát triển đồng hồ quang học trên khắp thế giới. Theo SEKIDO, “mạng đồng hồ quang toàn cầu được kết nối bởi VLBI có thể được thực hiện nhờ sự hợp tác giữa các cộng đồng quốc tế về đo lường và trắc địa, giống như mạng VLBI băng rộng của Hệ thống quan sát toàn cầu VLBI (VGOS) đã được thiết lập”, trong khi Petit nhận xét: “đang chờ đợi các liên kết quang học đường dài, nghiên cứu này cho thấy vẫn còn nhiều lợi ích từ các liên kết vô tuyến, nơi VLBI với các ăng-ten có thể vận chuyển có thể bổ sung cho Hệ thống Vệ tinh Điều hướng Toàn cầu và các vệ tinh viễn thông.”

Bên cạnh việc cải thiện giờ hiện hành quốc tế, cơ sở hạ tầng như vậy cũng mở ra những cách mới để nghiên cứu vật lý cơ bản và thuyết tương đối rộng, để khám phá các biến thể của trường hấp dẫn của Trái đất, hoặc thậm chí là sự biến đổi của các hằng số vật lý cơ bản. Federico Perini, điều phối viên của nghiên cứu tại INAF, nhận xét “Chúng tôi tự hào là một phần của sự hợp tác này, giúp đạt được một bước tiến lớn như vậy trong việc phát triển một kỹ thuật, sử dụng các nguồn vô tuyến xa nhất trong Vũ trụ, có thể thực hiện phép đo tần số được tạo ra bởi hai trong số những chiếc đồng hồ chính xác nhất trên Trái đất. ” Calonico kết luận “So sánh của chúng tôi bằng cách sử dụng VLBI mang lại một quan điểm mới để cải thiện và điều tra các phương pháp mới để so sánh đồng hồ, cũng xem xét sự ô nhiễm giữa các lĩnh vực khác nhau.”

Nguồn truyện:

Tài liệu do Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông Quốc gia (NICT) cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.

Tham khảo Tạp chí :

1. Marco Pizzocaro, Mamoru Sekido, Kazuhiro Takefuji, Hideki Ujihara, Hidekazu Hachisu, Nils Nemitz, Masanori Tsutsumi, Tetsuro Kondo, Eiji Kawai, Ryuichi Ichikawa, Kunitaka Namba, Yoshihiro Okamoto, Rumi Takahashi, Junichi Komuro, Cecppo Clivati , Alberto Mura, Elena Cantoni, Giancarlo Cerretto, Filippo Levi, Giuseppe Maccaferri, Mauro Roma, Claudio Bortolotti, Monia Negusini, Roberto Ricci, Giampaolo Zacchiroli, Juri Roda, Julia Leute, Gérard Petit, Federico Perini, Davide Calonico, Tetsuya Ido. So sánh liên lục địa của đồng hồ nguyên tử quang học qua giao thoa kế đường cơ sở rất dài . Vật lý tự nhiên , 2020; DOI: 10.1038 / s41567-020-01038-6