Предложен способ сверки атомных часов с космическими

Группа исследователей из Пущинской радиоастрономической обсерватории Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ПРАО ФИАН) предложила новый алгоритм построения групповой шкалы пульсарного времени, способный поверить точность атомных часов, сравнивая их показания с относительно высокостабильными астрономическими явлениями — пульсарами.

По современным взглядам, пульсар — это нейтронная звезда, магнитное поле которой наклонено относительно оси вращения самой звезды. В силу такого наклона излучение от пульсара доходит до земного наблюдателя в виде периодических вспышек, совпадающих с темпом вращения самой звезды. А вот последний как раз бывает удивительно высоким, вплоть до сотен оборотов в секунду. То есть импульсы от них весьма часты и при этом одинаковы. Именно высокая стабильность периода испускания пульсарами сигналов и позволила ученым ФИАНа еще в 1970-х годах высказать идею их использования для построения так называемой пульсарной шкалы времени.

Окрестности типичного пульсара в представлении художника (иллюстрация NASA).

Напомним: сейчас самым точным считается атомное время (TAI), установленное на основе показаний атомных часов, которые расположены по всему земному шару. Именно атомная секунда лежит в основе всех остальных шкал, в том числе той, которой пользуетесь вы, читатель. Однако точность атомных часов, хотя бы и невероятно высокая, всё же ограничена. Кроме того, периодически появляются вопросы о том, не подвержена ли она посторонним влияниям, ставящим её безупречность под сомнение.

Открытие в 1967 году радиопульсаров позволило взглянуть на проблему по-новому. В далёком 1979 году учёные из ПРАО ФИАН предложили пульсарную шкалу времени, которая основана на интервалах между импульсами излучения радиопульсаров, регистрируемыми земными астрономами. Для этого момент прихода импульса (МПИ) определялся по земным часам и затем сравнивался с атомным временем, что позволяло оценить стабильность имеющегося временного эталона. Одно из основных достоинств такой шкалы — то, что она является астрономической и не зависит от происходящих на Земле событий. Кроме того, для отрезков времени в несколько лет групповое пульсарное время сравнимо с атомным (а то и точнее его) и может поправить его показания. Сегодня пульсарная шкала времени активно используется в ряде фундаментальных и прикладных исследований.

Однако радужная перспектива вечных и безошибочных часов омрачается некоторыми практическими сложностями. Пока пульсарную шкалу нельзя считать полностью независимой, так как не установлена самостоятельная «пульсарная секунда». Кроме того, момент прихода импульса подвержен влиянию фактов, связанных с тем, что Земля со скоростью хорошего космического корабля носится вокруг Солнца, да ещё и вращается при этом. То есть для наблюдателя момент поступления импульса от пульсара будет зависеть как от географического положения, так и от времени года (наклон планеты по отношению к оси), времени суток и от собственного движения пульсара по небу. А если пульсар располагается в двойной системе, то ещё и от параметров его вращения вокруг партнёра.

Для того чтобы разделить вклад земных часов, регистрирующих МПИ, и вариации вращения пульсаров, предлагается использовать одновременные сигналы от нескольких пульсаров. Иными словами, вместо обычных пульсарных часов стоит попробовать применить групповые. Чтобы ещё точнее отделить получаемые сигналы от возможных посторонних факторов, первые «просеиваются» с помощью математического аппарата винеровских фильтров, хорошо зарекомендовавшего себя в боевых системах радиолокационного обнаружения целей.

Наклон осей магнитного поля относительно оси вращения нейтронной звезды обусловливает периодический характер получаемых от пульсаров импульсов. (Иллюстрация ФИАН-информ.)

Такой метод применялся российскими исследователями к наблюдательным данным по пульсарам PSR B1855+09 и B1937+21. И сразу же — впервые в истории — позволил получить поправки к шкале Всемирного координированного времени (известного как UTC) относительно групповой шкалы пульсарного времени. А также провести её последующее прямое сравнение со шкалой земного времени TT, секунды которого основаны на стандарте цезиевых атомных часов. Как оказалось, расхождения не очень велики — не более 0,40 ± 0,17 мкс.

«Значение этих работ состоит в первую очередь в практическом построении независимой от земных условий системы счёта времени, которая по стабильности на длительных интервалах (около нескольких лет) сравнима и даже превосходит стабильность атомных стандартов частоты, — поясняет один из участников группы, ведущий научный сотрудник ПРАО ФИАН Александр Родин. — Наши исследования продемонстрировали возможность независимого мониторинга вариаций хода земных стандартов частоты с точностью около 0,1 мкс. При возникновении глобальных земных катаклизмов групповая пульсарная шкала является, пожалуй, единственным средством, позволяющим восстановить ход земных шкал времени с субмикросекундной точностью».

Сегодня разработкой пульсарного времени активно занимаются во многих местах, включая США, страны ЕС и Австралию. Там также приняты программы одновременного хронометрирования нескольких десятков пульсаров для построения групповой пульсарной шкалы времени. Интерес к вопросу легко понять: кроме космологии, астрофизики и фундаментальной метрологии, такое время может пригодиться в ряде важных измерений — в частности при регистрации давно чаемых гравитационных волн. Кроме того, хронометрирование высокостабильных миллисекундных пульсаров позволяет построить независимую стабильную шкалу галактических расстояний, фактически заложить основы навигационной системы типа GPS, только в космическом масштабе. Долговременное хронометрирование пульсаров также способно уточнить массы планет Солнечной системы и, следовательно, улучшить точность определения планетных координат.

Наконец, весьма полезным более точное и астрономически независимое время будет для дальних космических зондов. «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 важно для определения местоположения далёких космических аппаратов... Сеть высокостабильных пульсаров будет использоваться в качестве космических маяков для навигации в масштабах Солнечной системы и даже за её пределами. Космический аппарат... сможет автономно определять своё местоположение с точностью до нескольких сотен метров», — убеждён Александр Родин.

Подготовлено по материалам ФИАН-информ.