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La medición del tiempo trasciende nuestra galaxia

Dos relojes atómicos ópticos, separados entre sí por 8.700 kilómetros, se han sincronizado usando como fuente para medir el tiempo estrellas situadas más allá de la Vía Láctea.

Utilizando radiotelescopios que observan estrellas distantes, los científicos han sincronizado dos relojes atómicos ópticos separados entre sí por 8.700 kilómetros.

Los relojes atómicos tradicionales se basan en la oscilación natural del átomo de cesio para medir el paso del tiempo: un segundo es el tiempo que transcurre durante 9.192.631.770 ciclos de la señal de microonda producida por estas oscilaciones.

Los relojes atómicos son extremadamente precisos, aunque pueden acumular un error de aproximadamente un segundo cada 30.000.000 de años. Están cada vez más extendidos: el año pasado, la NASA situó en órbita uno de estos relojes para impulsar la navegación espacial.

Los relojes atómicos ópticos utilizan la luz en lugar de las microondas para medir el paso del tiempo y son mucho más exactos que los de microondas: la luz les permite usar átomos o iones que oscilan a unas frecuencias 100.000 veces superiores a las de microondas, y medir el paso del tiempo a esa escala.

Hasta ahora, el tiempo universal coordinado (UTC), principal estándar de tiempo por el cual el mundo regula los relojes y el tiempo, se obtiene comparando los relojes atómicos que llevan incorporados los satélites de la constelación GPS, usados corrientemente para la navegación espacial.

Sin embargo, las conexiones satelitales que son esenciales para mantener una hora global sincronizada no se han mantenido al día con el desarrollo de los nuevos relojes atómicos ópticos: usan láseres que interactúan con átomos ultrafríos para dar un tic-tac mucho más ajustado al paso del tiempo.

Fuentes extragalácticas

En una nueva investigación, 33 astrónomos y expertos en relojería del National Institute of Information and Communications Technology  (NICT, Japón), del Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, Italia), del Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italia) y del Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Francia), han sustituido las comunicaciones por satélite por fuentes de radio extragalácticas como señales de referencia para sincronizar dos relojes atómicos.

Los científicos diseñaron dos radiotelescopios portátiles, uno desplegado en Japón y el otro en Italia, para realizar la conexión con las fuentes de radio extragalácticas: utilizaron la técnica de Interferometría de Línea de Muy Larga Base (VLBI), que permite la observación simultánea de uno o varios objetos celestes.

Estos telescopios son capaces de realizar observaciones astronómicas en un gran ancho de banda, mientras que los platos de antena, de solo 2,4 metros de diámetro, permiten que sean portátiles.

Las antenas utilizadas en estas mediciones se pueden instalar directamente en laboratorios de todo el mundo que desarrollan relojes ópticos, destacan los investigadores en un comunicado.

Para alcanzar la sensibilidad requerida, las antenas de estos telescopios portátiles trabajaron con un radiotelescopio más grande, de 34 metros, situado en Kashima, Japón, durante las mediciones extragalácticas, tomadas entre el 14 de octubre de 2018 y el 14 de febrero de 2019.

Cuásares distantes

La conexión fue posible mediante la observación de cuásares (núcleos galácticos) situados a miles de millones de años luz de distancia: son fuentes de radio alimentadas por agujeros negros que pesan millones de masas solares.

Estas fuentes de radio están a tanta distancia de nosotros que pueden considerarse puntos fijos en el cielo y por ello son excelentes referentes para medir el paso del tiempo: los telescopios apuntan a una estrella diferente cada pocos minutos para compensar los efectos de la atmósfera en la medición temporal de eventos.

El objetivo de esta colaboración era sincronizar dos relojes ópticos situados en continentes diferentes. Estos relojes cargan cientos de átomos ultrafríos en una red óptica, una trampa atómica diseñada con luz láser, para medir el paso del tiempo.

Estos relojes utilizan diferentes especies atómicas, iterbio para el reloj situado en Italia, y estroncio para el reloj situado en Japón, para mediante la luz establecer medidas temporales de eventos.

Redefinir el segundo

Después de este experimento, estos dos relojes pioneros en utilizar cuásares lejanos para medir el tiempo son candidatos para una futura redefinición del segundo en el Sistema Internacional de Unidades (SI), destacan los investigadores.

“Hoy, la nueva generación de relojes ópticos está presionando para revisar la definición del segundo. El camino hacia una redefinición debe enfrentar el desafío de comparar relojes a nivel mundial, a escala intercontinental, con mejores rendimientos que los actuales”, explica al respecto Davide Calonico, coordinador de la investigación en INRIM.

Además de mejorar el cronometraje internacional, estos relojes atómicos vinculados al universo más lejano permiten explorar de otra forma, tanto la física fundamental como la relatividad general.

Asimismo, señalan los investigadores, permitirán explorar con una nueva perspectiva las variaciones del campo gravitacional de la Tierra e, incluso, la variación de las constantes fundamentales subyacentes a la física.

Referencia

Intercontinental comparison of optical atomic clocks through very long baseline interferometry. Marco Pizzocaro et al. Nature Physics (2020). DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-020-01038-6

 

Foto superior: los tres telescopios utilizados en esta investigación y abajo los dos relojes ópticos conectados entre sí a través de estrellas situadas más allá de la Vía Láctea. Créditos: NTIC e INRIM.

RedacciónT21

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