Использование группы пульсаров для поиска гравитационных волн.
Keeping time: using an array of pulsars to look for gravitational waves.
Пульсар хронометрирует атомные часы
Международная команда астрономов придумала новый способ отслеживания времени, наблюдая группу пульсаров - быстро вращающихся звезд, которые испускают радиоимпульсы очень регулярно. Хотя конечная цель исследования заключается в использовании хронометража от пульсара для обнаружения гравитационных волн, исследователи показали, что хронометраж на основе пульсаров также может быть использован для выявления погрешностей измерений времени, основанных на атомных часах.
Пульсары представляют собой нейтронные звезды, которые очень быстро вращаются и излучают радиоимпульсы в чрезвычайно регулярные промежутки времени. Импульсы, которые мы на самом деле видим, это радио-луч, сфокусированный магнитным полем звезды и прокатывающийся по нам, как луч от маяка. С помощью радиотелескопа, астрономы могут измерить время прибытия последовательных импульсов с точностью до 100 нс за интервал наблюдения около часа. Хотя этот уровень точности значительно меньше, чем тот, который дают атомные часы, пульсары в принципе могут быть использованы для создания временных масштабов [эталонов] стабильных в течение десятилетий, столетий или даже больше. Это может быть полезно для выявления колебаний хронометража, основанного на Земных устройствах, таких как атомные или оптические часы, которые обычно не работают на такие длительные периоды времени.
Исследовательская группа, которой руководит Джордж Хоббс (George Hobbs) в CSIRO астрономических и космических наук в Австралии, просмотрели данные от проекта Parkes Pulsar Timing Array (PPTA). С помощью радио-телескопа Parkes в Австралии, проект направлен на использование данных около 20 пульсаров в разных частях Млечного пути для обнаружения гравитационных волн. Идея состоит в том, что, когда гравитационная волна проходит через нашу галактику, она искажает пространство-время таким образом, что появляются миллисекундные зазоры между импульсами, поступающими от различных пульсаров, подвергшихся таким специфическим воздействиям.
Чрезвычайно точный эталон времени
В развитие проекта PPTA, Хоббс и коллеги в Австралии, Германии, США и Китае сообразили, что временные данные от ряда пульсаров могут быть объединены, чтобы создать очень точный масштаб времени, уходящий к середине 1990-х годов. Масштаб времени представляет собой последовательность отметок во времени, отделенных друг от друга заданным интервалом времени. Наиболее точные эталоны времени, доступные сегодня создаются атомными или оптическими часами, использующие частоты определенных атомных переходов.
Исследователи сделали временной масштаб на основе 19 пульсаров, для начала скорректировав данные от каждого пульсара на влияние различных факторов, которые могут повлиять на точность измерения зазора между импульсами. Они включают в себя инструментальные эффекты, движение Земли в Солнечной системе и влияние межзвездной плазмы. Кроме того, частота пульсара медленно падает со временем по мере уменьшения вращательной энергии излучения, и это должно быть учтено.
Затем группа объединила данные с 19 пульсаров, чтобы создать масштаб времени Terrestrial Time PPTA11 или TT(PPTA11), где 11 означает, что используются самые последние данные с 2011 года. Чтобы показать, как их новый эталон может быть использован для оценки временных масштабов, порожденных атомными часами, ученые сравнили его с Земным Временем (Международное атомное время) - TT(TAI). Этот эталон создан путем объединения результатов нескольких сотен атомных часов по всему миру. TT(TAI) никогда не пересматривался, и, таким образом, представляет собой исторический рекорд производительности атомных часов. Вместо этого, масштаб атомных часов мягко "управляется" к лучшему хронометражу путем пересмотра стандарта времени.
Поиск неточностей
Если новый пульсарный эталон времени действительно точный, то он должен быть способен выявить исторические погрешности в масштабе времени от атомных часов - и это именно то, что группа исследователей была в состоянии сделать. Они сравнили два временных масштаба - 1994 года и 1998 года, и обнаружили их явное расхождение. Еще они сделали аналогичное сравнение между масштабом атомных часов и исправленной версией Земного Времени, которое производится ежегодно в Международном бюро мер и весов - TT(BIPM11). Исследователи увидели то же явное расхождение около 1998 года, которое предположительно подобно расхождению с TT (BIPM11). Таким образом, пульсарный масштаб времени способен выявлять несоответствия временных масштабов атомных часов.
Сходство между TT (PPTA11) и TT (BIPM11) также позволило исследователям сделать вывод, что нет крупных непредвиденных ошибок в TT (BIPM11). Кроме того, результаты подтверждают предыдущие исследования, приводя к выводу, что масштаб от TT(TAI) не является достаточно точным, для использования в хронометрировании пульсара, например, для обнаружения гравитационных волн, и что TT(BIPM11) всегда должно быть использовано в таких случаях.
Член группы Дэвид Чемпион (David Champion) из Института Макса Планка, отделение радиоастрономии в Бонне, сказал для
physicsworld.com
, что следующий шаг в усовершенствовании масштаба времени - это включение данных по пульсарам от других радиотелескопов, полученных за тот же период времени.
Подтверждение принципа действия
Сетнам Шемар (Setnam Shemar) из Группы Времени и Частоты в Национальной физической лаборатории Великобритании описывает работу, как "доказательство принципа, что данные PPTA могут быть использованы для поиска аномалий в некоторых современных атомных эталонах времени". Пока же он думает, что, возможно, пульсарный масштаб времени может превзойти лучшую современную атомную шкалу времени на большом временном интервале, но говорить об этом еще слишком рано. Более того, он указывает, что если улучшение технологий в атомных и оптических часах опережает улучшение пульсарного хрономтрирования, как он ожидает, то масштаб времени на основе пульсаров в будущем может быть более полезным в поиске гравитационных волн, чем средство для проверки атомных масштабов.
Исследования будут опубликованы в
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
, а препринт доступен на
arXiv
.