Collegati i segnali delle stelle a orologi atomici

Il team della NICT ha progettato due radiotelescopi in grado di compiere osservazioni su larga banda. I dispositivi, altamente tecnologici, sono stati posizionati in Italia e Giappone con l'obiettivo di poter collegare i 2 orologi ottici, al fine di ridefinire il secondo nell'SI (Sistema Internazionale di Unità).

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I radiotelescopi, che osservano le stelle lontane anni luce, hanno dato la possibilità agli scienziati di collegare orologi atomici ottici in diversi continenti.
I risultati, sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nature Physics da una collaborazione internazionale tra 33 astronomi ed esperti di orologi presso l’Istituto Nazionale di Tecnologia dell’Informazione e delle Comunicazioni (NICT, Giappone); l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, Italia). L’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italia), e il Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Francia).
Una doverosa premessa riguarda l’orologio atomico stesso che, nella fattispecie, è un tipo di orologio in cui la base del tempo è scandita dalla frequenza di risonanza di un atomo. In tal senso, il tempo è misurato da fenomeni periodici, come la vibrazione di un cristallo di quarzo, che è indotta elettronicamente; questa vibrazione non è costante, ma l’orologio atomico, riesce a tenere sotto controllo il cristallo e sfrutta le proprietà fisiche degli atomi.
Il BIPM di Sèvres, vicino a Parigi, calcola regolarmente l’ora internazionale raccomandata per uso civile (UTC, Coordinated Universal Time) dal confronto degli orologi atomici tramite comunicazioni satellitari. Tuttavia, le connessioni satellitari essenziali per mantenere un tempo globale sincronizzato, non hanno tenuto il passo con lo sviluppo di nuovi orologi atomici:
Orologi ottici che utilizzano laser che interagiscono con atomi ultra freddi per dare un ticchettio molto raffinato. Per ricevere tutti i vantaggi degli orologi ottici in UTC, è importante migliorare i metodi di comparazione degli orologi a livello mondiale”. Ha detto Gérard Petit, fisico del Dipartimento del Tempo del BIPM.
In questa nuova ricerca, le sorgenti radio extragalattiche ad alta energia, sostituiscono i satelliti come fonte di segnali di riferimento.

Il lavoro di 33 astronomi lavorano per dimostrare la potenza del radiotelescopio

Il gruppo di Sekido Mamoru della NICT ha progettato due radiotelescopi speciali; uno dispiegato in Giappone e l’altro in Italia, per realizzare la connessione utilizzando la tecnica dell’Interferometria a Lunghissima Linea di Base (VLBI).
Questi telescopi sono in grado di compiere osservazioni su una grande larghezza di banda, mentre le antenne paraboliche di soli 2,4 metri di diametro li mantengono trasportabili.
Vogliamo dimostrare che il VLBI a banda larga ha il potenziale per essere un potente strumento non solo per la geodesia e l’astronomia, ma anche per la metrologia“; ha commentato Sekido.
Per raggiungere la sensibilità richiesta, le piccole antenne hanno lavorato in tandem con un radiotelescopio più grande di 34 metri a Kashima, in Giappone, durante le misurazioni effettuate dal 14 ottobre 2018 al 14 febbraio 2019. Per il radiotelescopio di Kashima, queste sono state tra le ultime osservazioni prima che il telescopio fosse irrimediabilmente danneggiato dal tifone Faxai nel settembre 2019.
L’obiettivo della collaborazione era quello di collegare due orologi ottici in Italia e in Giappone, separati da una distanza di base di 8700 km. Questi orologi caricano centinaia di atomi ultra-freddi in un reticolo ottico, una trappola atomica progettata con la luce laser. Gli orologi utilizzano diverse specie atomiche: l’itterbio per l’orologio all’INRIM e lo stronzio alla NICT.
Entrambi sono candidati per una futura ridefinizione del secondo nel Sistema Internazionale di Unità (SI). “Oggi la nuova generazione di orologi ottici spinge a rivedere la definizione del secondo. La strada per una ridefinizione deve affrontare la sfida di confrontare gli orologi a livello globale, su scala intercontinentale, con prestazioni migliori di quelle attuali“, ha dichiarato Davide Calonico, responsabile della divisione di metrologia quantistica e nanotecnologia e coordinatore della ricerca all’INRIM.

L’efficacia a lungo termine di un collegamento radio

Il collegamento è possibile osservando quasar a miliardi di anni luce di distanza: sorgenti radio alimentate da buchi neri che pesano milioni di masse solari, ma così distanti da poter essere considerati punti fissi nel cielo.
I telescopi puntano ogni pochi minuti su una stella diversa per compensare gli effetti dell’atmosfera. “Abbiamo osservato il segnale non da satelliti, ma da sorgenti radio cosmiche“, ha rilevato IDO Tetsuya, direttore del “Space-Time Standards Laboratory” e coordinatore della ricerca al NICT.
VLBI può permetterci di accedere all’UTC in Asia contando su quello che possiamo preparare da soli“, ha aggiunto IDO.
Antenne come quelle trasportabili utilizzate in queste misurazioni possono essere installate direttamente nei laboratori che sviluppano orologi ottici in tutto il mondo.
Secondo Sekido, “una rete globale di orologi ottici collegata da VLBI può essere realizzata grazie alla collaborazione tra le comunità internazionali di metrologia e geodesia, proprio come la rete a banda larga VLBI del VLBI Global Observing System (VGOS) è già stata stabilita“, mentre Petit ha commentato, “in attesa di collegamenti ottici a lunga distanza, questa ricerca mostra che c’è ancora molto da guadagnare dai collegamenti radio, dove VLBI con antenne trasportabili può completare i sistemi globali di navigazione satellitare e i satelliti per telecomunicazioni“.
Oltre a migliorare il cronometraggio internazionale, tale infrastruttura apre anche nuovi modi per studiare la fisica fondamentale e la relatività generale, per esplorare le variazioni del campo gravitazionale terrestre, o anche la variazione delle costanti fondamentali alla base della fisica.

In aggiunta

Federico Perini, coordinatore della ricerca presso l’INAF, ha commentato: “Siamo orgogliosi di aver fatto parte di questa collaborazione contribuendo a compiere un così grande passo avanti nello sviluppo di una tecnica che, utilizzando le sorgenti radio più lontane dell’Universo, rende possibile la misura delle frequenze generate da due degli orologi più precisi qui sulla Terra“.
Conclude Calonico: “Il nostro confronto con VLBI offre una nuova prospettiva per migliorare e indagare nuovi metodi per il confronto degli orologi, guardando anche alla contaminazione tra le diverse discipline“.

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