Kako lahko astronomi vzamejo vlakna in poslušajo globoko vesolje

The Fermi Paradox — Where Are All The Aliens? (1/2) (Junij 2019).

Anonim

Raziskovalci so prvič pokazali, da je mogoče stabilno frekvenčno referenco zanesljivo prenesti več kot 300 kilometrov prek standardnega telekomunikacijskega omrežja optičnih vlaken in se sinhronizirati z dvema radijskima teleskopoma. Stabilne referenčne frekvence, ki se uporabljajo za kalibriranje ure in instrumentov, ki omogočajo ultrazvočne meritve, so ponavadi dostopne le na objektih, ki jih ustvarjajo z uporabo drage atomske ure. Nova tehnologija bi znanstvenikom omogočila, da kjerkoli dostopajo do frekvenčnega standarda, preprosto s pritiskom na telekomunikacijsko omrežje.

Sposobnost pošiljanja stabilnih frekvenčnih referenc prek telekomunikacijskega omrežja bi lahko bila še posebej uporabna za radijske teleskopske nize, kot je Square Kilometrski niz (SKA), mednarodna prizadevanja za izgradnjo največjega svetovnega radijskega teleskopa z uporabo nizov v Avstraliji in Južni Afriki. Ko bo dokončan, bo SKA odkrila slabe radijske valove iz globokega prostora z občutljivostjo, ki je približno 50-krat večja kot pri Hubblovem teleskopu. Posamezni radijski teleskopi bodo povezani, da bi ustvarili skupno zbirno površino okoli 1 milijon kvadratnih metrov.

Povezovanje radijskih teleskopov v matriki zahteva, da ima vsak teleskop dostop do atomske ure, da se zabeleži natančen čas, ko se zazna signal iz predmeta v vesolju. Osredotočanje vseh teleskopov na isti objekt in nato izračun rahle razlike v času, ko signal doseže vsak teleskop, omogoča raziskovalcem, da združijo vsa opazovanja in določijo lokacijo objekta in druge značilnosti. Stabilne prenesene reference bi se lahko uporabile za kalibriranje relativnega časa na vsakem teleskopu, s čimer bi se izognili potrebi po več atomskih urah v radijskem teleskopskem nizu.

V Optici raziskovalci iz konzorcija avstralskih institucij poročajo o uspešnem prenosu stabilne referenčne frekvence med dvema radijskima teleskopoma prek vlakenske povezave in dokazujejo, da je tehnika tehnike boljša od uporabe atomske ure na vsakem teleskopu. Konzorcij je vključeval Avstralsko akademsko in raziskovalno mrežo (AARNet), avstralsko nacionalno univerzo, Organizacijo za znanstvene in industrijske raziskave Commonwealtha (CSIRO), Nacionalni merilni inštitut, Univerzo Macquarie in Univerzo Adelaide.

Rezultati kažejo, da je tehnika sposobna kompenzirati nihanja signalov v optičnem omrežju, ki jih uvajajo okoljski dejavniki, kot so spremembe temperature ali vibracije. Predstavitev je bila izvedena tudi preko omrežja, ki hkrati prenaša živ telekomunikacijski promet.

Preskušanje z živim omrežnim prometom

"Z izvajanjem eksperimenta na optičnih vlaknih, ki imajo tudi običajen promet, smo pokazali, da oddaja stabilnega frekvenčnega standarda ne vpliva na podatke ali telefonske klice na drugih kanalih, " je dejal Kenneth Baldwin, član raziskovalne skupine avstralskega nacionalnega Univerza. "To je potrebno za pridobitev sodelovanja telekomunikacijskih podjetij, ki imajo v lasti te optične mreže."

Pomembno je, da nova tehnika ne zahteva bistvenih sprememb v ostalem omrežju optičnih vlaken in jo je enostavno izvajati. Za ohranjanje stabilnosti frekvence med prenosom, raziskovalci pošiljajo signal prek omrežja do cilja in ga potem odražajo nazaj. Vračilni signal se uporablja za ugotavljanje, ali so se pojavile morebitne spremembe. Po vsakem povratnem izklopu je vsak oddajni frekvenčni odmik pasivno odštet, da natančno nadomesti izmerjene spremembe.

Za vsakih 100 kilometrov vlaken se zaokrožijo približno 1 milisekundo. Čeprav se kompenzacijski postopek zgodi zelo hitro, se lahko čas na sprejemnem koncu vleče med krožnimi potovanji. Da bi rešili to težavo, kvarčni oscilator na oddaljeni lokaciji ohranja čas enakomerno med krožnimi potovanji.

"Frekvenca kvarčnega oscilatorja se bo sčasoma prelila, tako da naš edinstven postopek združuje lokalno stabilizacijo s kvarčnim oscilatorjem za kratke časovne dolžine, z daljšim večjim kot stabilizacijskim časom stabilizacije, ki jo zagotavlja prenesena stabilna referenčna tehnika", je dejal Baldwin. "Ta zelo stabilna metoda za pošiljanje referenčne frekvence omogoča, da se atomska ura, ki stane okoli dvesto tisoč dolarjev, nadomesti s sistemom, ki samo stane nekaj deset tisoč dolarjev."

Prikazovanje prenosa na dolge razdalje

Za prikaz svoje metode so raziskovalci začeli z vrsto atomske ure, znanega kot vodikovega maserja na teleskopu CSIRO Australia Telescope Compact Array (ATCA). Odtisnili so referenčni signal radijske frekvence iz maserja na laserski žarek, ki je nato potoval skozi vlakno AARNet 155 kilometrov in nekaj ojačevalnih stopenj na drugi radijski teleskop in nazaj. Ko se je postopek odškodnine začel, je bil sklic na radijskem teleskopu na drugem koncu povezave.

Raziskovalci so uporabili stabilno referenco frekvence za umerjanje obeh teleskopov, ki so bili uporabljeni za pregled istega predmeta v vesolju. Ugotovili so, da je omejevalni faktor namesto stabilnega frekvenčnega signala, ki omejuje zmogljivost teleskopov, razlike v atmosferi med obema lokacijama. Za odpravo atmosferskih motenj in boljše razumevanje, kako je nova metoda izboljšala učinkovitost teleskopa, so raziskovalci na ATCA, opremljeni z dvema ločenima sprejemnikoma, uporabili samo eno teleskopno anteno, ki je izvedla meritve. Ta metoda "split antene" je omogočila en sprejemnik, ki ga je stabiliziral vodni maser, ki ga je treba primerjati z drugim sprejemnikom, stabiliziranim z uporabo stabilne referenčne frekvence, ki je bila poslana na 310 kilometrov okrogle poti skozi vlakno.

"Naši eksperimenti so pokazali, da je bila referenčna frekvenca prenosa zelo stabilna, bistveno bolj stabilna kot zemeljska atmosfera", je dejal Baldwin. "Naš pristop točno repliciranje stabilnega frekvenčnega signala iz ene atomske ure je izvedel vsaj dve atomski uri, ki lahko med seboj malo razlikujejo."

Raziskovalci pravijo, da njihova demonstracija kaže, da je nova metoda pripravljena za izvajanje s strani radijskih astrononov, ki se želijo izogniti uporabi več atomskih uramov skozi teleskopsko polje. Metoda se lahko uporablja tudi na daljših razdaljah z uporabo več ojačevalnikov za povečanje signala. To bi omogočilo tudi pošiljanje stabilnih referenčnih frekvenc prek nacionalnega optičnega omrežja, kjer bi jih lahko uporabil vsak znanstvenik z dostopom do telekomunikacijskega omrežja.

"Ko so prvotno izumili atomske ure, nihče ni mislil, da bi zagotovili časovne standarde, ki bi se uporabljali za GPS navigacijo, " pravi Baldwin. "Upamo, da bo enako enostaven dostop do frekvenčnih standardov, ki so prav tako stabilni kot tisti v nacionalnem merilnem laboratoriju, tehnologija, ki omogoča številne aplikacije, ki zahtevajo natančen čas in natančne meritve frekvence."

menu
menu