来自银河外恒星的高能信号首次连接整个地球的光学原子钟

使用天线和光学晶格时钟。左上：在意大利INAF安装了2.4 m天线。中等偏上：日本NICT安装了2.4 m天线。右上方：位于日本NICT的34 m天线。左下方：IN光学晶格钟在意大利的INRIM经营。右下：日本NICT的锶光学晶格时钟。

便携式射电望远镜可以提供最佳原子钟的全球高精度比较。

科学家们使用射电望远镜观察远处的恒星，从而连接了不同大陆上的光学原子钟。结果由国家信息和通信技术研究所（NICT，Japan），意大利国立莱斯赖卡计量研究所（意大利INRIM），33位天文学家和时钟专家之间的国际合作在科学杂志自然物理学上发表。意大利国家航空航天局（意大利国际航空航天研究所）和国际仿生物与气象局（法国BIPM）。

巴黎附近塞夫尔市的BIPM通常通过通过卫星通信比较原子钟来计算建议用于民用的国际时间（ UTC，世界协调时间）。但是，对于维持全球时间同步至关重要的卫星连接并未跟上新原子钟的发展：使用激光与超冷原子相互作用以产生非常精细的滴答声的光学钟。BIPM时间部门的物理学家GérardPetit说：“要充分利用UTC中的光学时钟，重要的是改进全球时钟比较方法。”

在这项新的研究中，高能量的河外无线电源取代了卫星作为参考信号源。NICT的SEKIDO Mamoru小组设计了两台特殊的射电望远镜，其中一台部署在日本，另一台部署在意大利，以使用超长基线干涉测量（VLBI）技术实现连接。这些望远镜能够在较大的带宽上进行观测，而直径仅为2.4米的碟形天线使它们可以移动。SEKIDO评论说：“我们想证明宽带VLBI不仅有可能成为大地测量和天文学的强大工具，而且还具有成为计量学的强大工具的潜力。”为了达到所需的灵敏度，从2018年10月14日至2019年2月14日进行的测量中，小型天线与日本鹿岛的一个较大的34 m射电望远镜协同工作。对于鹿岛射电望远镜来说，这是该望远镜在2019年9月的台风``传真''（Faxai）造成不可弥补的损坏之前的最后观测结果之一。

合作的目标是连接意大利和日本的两个光学时钟，它们之间的基线距离为8700 km。这些时钟在光学晶格中装载了数百个超冷原子，光学晶格是用激光设计的原子陷阱。时钟使用不同的原子种类：INRIM的时钟为and和NICT的时钟为锶。两者都是将来重新定义国际单位制（SI）中的第二个候选者。今天，新一代的光学时钟正在推动对第二个时钟的定义进行审查。重新定义之路必须面对挑战，要在洲际范围内比较全球范围内的时钟，并具有比今天更好的性能，“量子计量与纳米技术”研究负责人兼研究负责人Davide Calonico说。

可以通过观测类星体（距地球数十亿光年）来实现这种连接：由黑洞供电的无线电源重达数百万个太阳质量，但距离太远，可以将它们视为天空中的固定点。望远镜每隔几分钟瞄准另一颗恒星，以补偿大气的影响。“我们观察到的信号不是来自卫星，而是来自宇宙无线电源。”“时空标准实验室”主任兼NICT研究协调员IDO Tetsuya说道。IDO补充说：“ VLBI可能会让我们亚洲人依靠我们自己准备的东西来访问UTC。”

这些测量中使用的天线（如便携式天线）可以直接安装在世界各地开发光学时钟的实验室中。根据SEKIDO的说法，“ VLBI连接的全球光学时钟网络可以通过国际计量学和大地测量学界之间的合作来实现，就像VLBI全球观测系统（VGOS）的宽带VLBI网络已经建立一样。” ：“等待长距离光链路，这项研究表明，仍然可以从无线电链路中受益，带有可移动天线的VLBI可以补充全球导航卫星系统和电信卫星。”

这样的基础设施除了改善国际计时功能外，还为研究基础物理学和广义相对论，探索地球引力场的变化，甚至是基础物理学的基本常数的变化，开辟了新途径。INAF研究协调员费德里科·佩里尼（Federico Perini）评论说：“我们很荣幸能参与这项合作，从而帮助开发技术迈出了一大步，该技术利用了宇宙中最遥远的无线电源，使测量成为可能地球上两个最精确的时钟所产生的频率中的多少。”Calonico总结说：“我们使用VLBI进行的比较为改进和研究时钟比较的新方法提供了一个新的视角，同时也可以观察不同学科之间的污染。”

参考：Marco Pizzocaro，Mamoru Sekido，Kazuhiro Takefuji，Hideki Ujihara，Hidekazu Hachisu，Nils Nemitz，Masanori Tsutsumi，Tetsuro Kondo，Eiji Kawai，Ryuichi Imotokawa，Kunitaka Namba，Yoshihiro Oka的“通过非常长的基线干涉仪进行的光学原子钟的洲际比较”鲁米·高桥（Rumi Takahashi），小泉纯一（Junichi Komuro），塞西莉亚·克利瓦蒂（Cecilia Clivati），菲利波·布雷戈林（Filippo Bregolin），皮耶罗·巴比耶里（Piero Barbieri），阿尔贝托·穆拉（Alberto Mura），埃琳娜·坎通尼（Giancarlo Cerretto），菲利波·列维（Filippo Levi），朱塞佩·麦克卡费里（Gaucarpe Maccaferri），毛罗·罗马（Mauro Roma），克劳迪奥·博托洛蒂（Claudio Bortolotti），莫妮亚·尼古斯尼（Roberto Ricci） ，盖拉德·佩蒂特（GérardPetit），费德里科·佩里尼（Federico Perini），大卫·卡洛尼科（Davide Calonico）和伊豆哲也（Tetsuya Ido），2020年10月5日，自然物理学。
10.1038 / s41567-020-01038-6