来自丙型颗星的高能量信号是第一次连接地球上的光学原子钟

天线和光学格子钟

使用天线和光学晶格钟。左上角:安装在意大利INAF的2.4米天线。中上:2.4 m天线安装在日本NICT。右上:位于日本NICT的34米天线。左下角:位于意大利INRIM的镱光学晶格钟。右下:位于日本NICT的锶光学晶格钟。资料来源:美国国家信息和通信技术研究所。除了左下角,来源:国家计量研究所(INRIM)

便携式射电望远镜可以提供全球最好原子钟的高精度比较。

使用无线电望远镜观察遥远的星星,科学家们在不同的大陆上连接了光学原子钟。结果出版于科学期刊自然物理由来自日本国家信息和通信技术研究所(NICT, Japan)、意大利国家计量研究所(INRIM, Italy)、意大利国家天体研究所(INAF, Italy)和法国国际度量局(BIPM, France)的33名天文学家和钟表专家共同合作完成。

Sèvres附近的BIPM在巴黎附近常规计算建议民用用途的国际时间(UTC,协调世界时)通过卫星通讯比较原子钟。然而,对保持全球时间同步至关重要的卫星连接并没有跟上新原子钟的发展:光学原子钟利用激光与超冷原子相互作用,发出非常精确的滴答声。“为了充分利用国际标准时间的光学时钟,改善世界范围内的时钟比较方法是很重要的,”Gérard Petit说,他是BIPM时间部门的物理学家。

在这项新的研究中,高能的河外射电源取代了卫星作为参考信号的来源。NICT的SEKIDO Mamoru小组设计了两架特殊的射电望远镜,一架部署在日本,另一架部署在意大利,利用超长基线干涉术(VLBI)技术实现了连接。这些望远镜能够在很大的带宽上进行观测,而直径仅为2.4米的天线盘使它们可以移动。SEKIDO评论道:“我们希望表明,宽带VLBI不仅在大地测量和天文学领域,而且在计量学领域都具有强大的潜力。”为了达到所需的灵敏度,在2018年10月14日至2019年2月14日的测量期间,小天线与日本鹿岛的一个更大的34米射电望远镜一起工作。对于鹿岛射电望远镜来说,这些是该望远镜在2019年9月被台风“法赛”造成不可挽回的损坏之前的最后观测结果。

合作的目标是在意大利和日本连接两个光学时钟,由基线距离为8700公里。这些时钟在光学晶格中加载数百个超冷原子,用激光设计的原子阱。时钟使用不同的原子物种:ytterbium在Inict的Inrim和锶的时钟。两者都是在国际单位制度(SI)中的未来重新定义的候选人。“今天,新一代光学时钟正在推动审查第二个的定义。重新定义的道路必须面对全球比较时钟的挑战,在洲际规模,比今天更好的表现,“Inrim的”量子计量和纳米技术“师和协调员的协调员负责人Davide Calonico表示。

这种联系是通过观测数十亿光年之外的类星体而实现的:这些黑洞的射电源的质量相当于数百万个太阳的质量,但它们是如此遥远,可以被视为天空中的固定点。望远镜每隔几分钟瞄准一颗不同的恒星,以补偿大气的影响。“我们观察到的信号不是来自卫星,而是来自宇宙射电源,”时空标准实验室主任兼NICT研究协调员IDO Tetsuya评论道。IDO补充道:“VLBI可能使我们在亚洲能够依靠自己的准备进入国际标准时间。”

像这些测量中使用的可运输的天线可以直接安装在世界各地的光学时钟的实验室。根据Sekido的说法,“由VLBI连接的全局光学时钟网络可以通过国际社区和地理区域之间的协作来实现,就像已经建立了VLBI全球观察系统(VGOS)的宽带VLBI网络一样,”撒谎评论:“等待长途光链路,这项研究表明,仍然可以从无线电链路获得,其中VLBI具有可移动天线可以补充全球导航卫星系统和电信卫星。”

除了改善国际计时,这样的基础设施也为研究基础物理和广义相对论、探索地球引力场的变化,甚至是物理基础常数的变化开辟了新的途径。费德里科•Perini,研究协调员,说“我们很自豪是这种合作的一部分帮助取得这么大的进步在发展一种技术,利用宇宙中最遥远的无线电来源,产生的频率,可以测量地球上两个最精确的时钟。Calonico总结道:“我们使用VLBI进行比较,为改进和研究时钟比较的新方法提供了新的视角,同时也着眼于不同学科之间的污染。”

参考:“光学原子钟通过非常长的基线干涉学洲际比较”由Marco Pizzocaro,Mamoru Sekido,Kazuhiro Takefji,Hideki Ujihara,Hidekazu Hachisu,Nils Nemitz,Masanori Tsutsumi,Tetsuro Kongo,Eiji Kawa,Ryuichi Ichikawa,Kunitaka Namba,YoshihiroOkamoto,Rumi Takahashi,Junichi Komuro,Cecilia Clivati,Filippo Brogolin,埃尔伯托穆拉,埃尔贝托·穆拉,埃琳卡罗洛·佩雷托,菲利普莱姆,戈苏··普罗斯·麦卡罗里,毛罗罗马,克劳迪奥波多黎各,Monia Negusini,Roberto Ricci,Giampaolo Zacchiroli,Juri Roda,Julia Leute,GérardPetit,Federico Perini,Davide Calonico和Tetsuya Ido,2020年10月5日,自然物理
DOI:10.1038 / S41567-020-01038-6

是第一个评论关于“银河系外恒星的高能信号首次连接地球上的光学原子钟”

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