Земля сверяет время по космическим часам
Учеными из Пущинской радиоастрономической обсерватории Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ПРАО ФИАН) предложен новый алгоритм построения групповой шкалы пульсарного времени, позволяющий повысить точность определения отклонений атомной шкалы времени относительно высокостабильной пульсарной шкалы. Предложенный метод позволит не только вносить поправки в ход земных эталонов времени, но и решить многие астрономические, навигационные и космологические задачи.
|
На рисунке: Условное изображение пульсара
|
Пульсар – космический объект, излучающий периодические импульсы в различных диапазонах длин волн – от радио до рентгеновского или гамма-диапазона. Согласно современным представлениям, пульсар представляет собой нейтронную звезду с наклоненной относительно оси вращения осью магнитного поля, вращающуюся с огромной скоростью (от долей до сотен оборотов в секунду). Высокая стабильность периода испускаемых импульсов радиопульсарами позволила ученым ФИАНа еще в 70-х годах XX века предложить использовать их для построения новой пульсарной шкалы времени.
В настоящее время используется несколько видов временных шкал: атомное время (TAI), земное время (ТТ) и всемирное координированное (UTC) время. Шкала TAI является опорной временной координатой, установленной на основе показаний атомных часов, расположенных по всему земному шару, и, в соответствии с определением атомной секунды, относительно нее выверяются все остальные временные шкалы; шкала TT предназначена для астрономических исследований; а обычные люди живут по всемирному координированному времени UTC, сверяя часы и производя перевод стрелок на летнее/зимнее время относительно него. Однако, независимо от выбора временной шкалы, всегда стоял вопрос ее точности и стабильности.
Различные эпохи развития человечества и научного разума всегда характеризовались решением одной и той же проблемы – поиском наиболее точного эталона времени. На этом пути человечество прошло долгий путь от солнечных и песочных до атомных часов, которые сегодня и являются наиболее точным и всемирно признанным эталоном времени.
Открытие в 1967 г. радиопульсаров позволило взглянуть на проблему с новых позиций. В 1979 г. учеными ПРАО ФИАН была предложена пульсарная шкала времени, основанная на измерении интервалов между импульсами радиопульсара, приходящими на Землю. Для построения пульсарной шкалы момент детектирования сигнала (или момент прихода импульса – МПИ) определяется по земным часам. Зная время прихода импульса радиопульсара и сравнивая его с полученными показаниями по выверенным атомным часам, можно оценить стабильность имеющегося временного эталона. Сама пульсарная шкала представляет собой таблицу поправок к показаниям земных часов.
Одним из основных достоинств предлагаемой шкалы является то, что она – астрономическая, т.е. никоим образом не зависит ни от происходящих на Земле событий, ни от ее «поведения» (сезонные изменения скорости вращения, колебания оси вращения и т.п.), а также в высокой стабильности шкалы на длительных интервалах времени, сравнимой и даже превосходящей стабильность земных атомных стандартов частоты на интервалах порядка нескольких лет.
В настоящее время пульсарная шкала времени, предложенная сотрудниками ПРАО ФИАН, активно используется в фундаментальных и прикладных исследованиях.
Однако столь радужная перспектива – получение высокоточных, высокостабильных и практически «вечных» часов – осложняется отдельными моментами, связанными с тем, что пульсарная шкала не является полностью независимой (не определена «пульсарная секунда»), а также сложным алгоритмом редукции МПИ от земного наблюдателя в центр масс Солнечной системы: наблюдатель, который принимает с помощью радиотелескопа сигналы от пульсара, находится на Земле, вращающейся вокруг своей оси и обращающейся вокруг Солнца. В результате, МПИ радиопульсара будут зависеть как от географического положения наблюдателя, так и от времени года, времени суток, от собственного движения пульсара по небу, а также от параметров его орбиты, если пульсар находится в двойной системе.
Решением этой проблемы занялась группа ученых из ПРАО ФИАН. Алгоритм пульсарного хронометрирования (определение МПИ) подразумевает определение момента прихода импульса относительно опорной шкалы времени, скажем, шкалы UTC. Однако приходящий сигнал будет помимо «полезной» составляющей (вариаций опорной атомной шкалы, относительно которой ведутся наблюдения) нести в себе и «шум» – наложения дополнительных вариаций, связанных как с особенностями вращения самого пульсара, так и с ограниченной чувствительностью земной аппаратуры. Для того чтобы разделить вклад земных часов и вариации вращения пульсаров, предлагается использовать одновременные сигналы от нескольких пульсаров (строить групповую пульсарную шкалу). Кроме того, восстановление сигнала происходит в условиях недостаточного объема (и качества) предварительной информации об изучаемом объекте, что также усложняет проблему точного определения сигнала. Дальнейшая обработка пульсарных данных производится с помощью математического аппарата винеровских фильтров, что и позволяет отделить «зерна от плевел». Этот классический математический аппарат хорошо зарекомендовал себя системах радиолокационного обнаружения целей.
Упомянутый метод был применен к наблюдательным данным по пульсарам PSR B1855+09 и B1937+21 и впервые позволил получить поправки к шкале Всемирного координированного времени UTC относительно групповой шкалы пульсарного времени. Последующее прямое сравнение наиболее стабильной шкалы земного времени TT, основанной на ходе первичных цезиевых стандартов частоты, и групповой шкалы пульсарного времени показало, что они не расходятся больше, чем на (0,40 ± 0,17) микросекунды.
«Значение данных работ состоит в первую очередь в практическом построении независимой от земных условий системы счета времени, которая по стабильности на длительных интервалах времени (порядка нескольких лет) сравнима и даже превосходит стабильность атомных стандартов частоты. Наши работы продемонстрировали возможность независимого мониторинга вариаций хода земных стандартов частоты с точностью около 0,1 микросекунды. В случае возникновения глобальных земных катаклизмов групповая пульсарная шкала является, пожалуй, единственным средством, позволяющим восстановить ход земных шкал времени с субмикросекундной точностью», – рассказал один из участников группы, ведущий научный сотрудник ПРАО ФИАН, кандидат физико-математических наук Александр Евгеньевич Родин.
В настоящее время данное направление астрономии, кроме России, также стало активно развиваться во многих странах. Например, в США, Австралии, Европе приняты программы одновременного хронометрирования нескольких десятков пульсаров для построения групповой пульсарной шкалы времени и ее практического применения в космологии, астрофизике и фундаментальной метрологии. Именно с помощью групповой пульсарной шкалы времени исследователи из этих стран надеются получить прямое и достоверное доказательство существования гравитационных волн.
Результаты подобных исследований могут быть применены и в других областях астрономии.
Например, хронометрирование высокостабильных миллисекундных пульсаров позволяет построить независимую шкалу галактических расстояний. В области небесной механики долговременное хронометрирование пульсаров позволит уточнить массы планет Солнечной системы и, соответственно, улучшить точность планетных эфемерид.
Как рассказал Александр Евгеньевич: «Наблюдения одних и тех же пульсаров различными методами в разных системах небесных координат позволяют находить связь между этими системами с очень высокой точностью (на уровне 10-4 — 10-5 угловых секунд), что крайне важно для высокоточного определения местоположения далеких космических аппаратов.
Очень интересным прикладным направлением использования групповой пульсарной шкалы в недалеком будущем станет навигационная задача. Сеть высокостабильных пульсаров будет использоваться в качестве космических маяков для навигации в масштабах Солнечной системы и даже за ее пределами. Космический аппарат по заложенным в него пульсарным эфемеридам и оснащенный соответствующими датчиками сможет автономно определять свое местоположение с точностью несколько сотен метров.»
В ПРАО ФИАН ведутся исследования практически по всем вышеупомянутым направлениям. После переоснащения имеющихся радиотелескопов новой высокочувствительной аппаратурой и ввода в строй новых радиотелескопов ученые ожидают получения результатов на новом уровне точности.
Е. Любченко, АНИ «ФИАН-Информ»
19.02.2013
