Pulsar racchiuso in una bolla di supernova. Credito:ESA/XMM-Newton/ L. Oskinova/M. Guerriero; CTIO/R. Gruendl/Y.H. Chu
Il centro tecnico dell'ESA nei Paesi Bassi ha iniziato a far funzionare un orologio basato su pulsar. Il sistema "PulChron" misura il passare del tempo utilizzando impulsi radio a frequenza di millisecondi provenienti da più stelle di neutroni in rapida rotazione.
Operativo da fine novembre, questo sistema di cronometraggio basato su pulsar è ospitato nella Galileo Timing and Geodetic Validation Facility dell'ESTEC dell'ESA, a Noordwijk nei Paesi Bassi, e si basa su osservazioni in corso da parte di una schiera di cinque radiotelescopi in tutta Europa.
Le stelle di neutroni sono la forma più densa di materia osservabile nel cosmo, formato dal nucleo collassato di stelle esplosive. Piccolo in termini cosmici, dell'ordine di una dozzina di chilometri di diametro, hanno ancora una massa maggiore del Sole della Terra.
Una pulsar è un tipo di stella di neutroni in rapida rotazione con un campo magnetico che emette un raggio di radiazione dal suo polo. A causa della loro rotazione, mantenuta costante dalla loro estrema densità, le pulsar viste dalla Terra sembrano emettere lampi radio molto regolari, tanto che nel 1967 il loro scopritore, l'astronomo britannico Jocelyn Bell Burnell, inizialmente considerato che potrebbero essere la prova di "omini verdi".
"PulChron mira a dimostrare l'efficacia di una scala temporale basata su pulsar per la generazione e il monitoraggio dei tempi di navigazione satellitare in generale, e Galileo System Time in particolare, " spiega l'ingegnere di navigazione Stefano Binda, supervisionare il progetto PulChron.
Orologi atomici presso il laboratorio di navigazione di ESTEC:il contenitore all'estrema destra dell'immagine ospita un orologio atomico maser a idrogeno attivo - un ordine di grandezza più preciso dei maser a idrogeno passivo a bordo di ciascun satellite Galileo, stessi precisi a un secondo in tre milioni di anni. La rastrelliera alla sua sinistra ospita ulteriori orologi al cesio, con un sistema di confronto dell'orologio alla sua sinistra e un sistema di distribuzione dell'orologio per inviare i dati agli utenti visibile sul lato sinistro dell'immagine. Credito:ESA - Anneke Le Floc'h
"Una scala temporale basata sulle misurazioni delle pulsar è in genere meno stabile di una che utilizza orologi atomici o ottici a breve termine, ma potrebbe essere competitiva a lungo termine, per diversi decenni o più, oltre la vita lavorativa di ogni singolo orologio atomico.
"Inoltre, questa scala temporale pulsar funziona in modo abbastanza indipendente dalla tecnologia dell'orologio atomico impiegata:non si basa su interruttori tra gli stati di energia atomica, ma sulla rotazione delle stelle di neutroni".
PulChron acquisisce batch di misurazioni di pulsar dai cinque radiotelescopi di classe 100 m che compongono l'European Pulsar Timing Array - il Westerbork Synthesis Radio Telescope nei Paesi Bassi, il radiotelescopio tedesco Effelsberg, il telescopio Lovell nel Regno Unito, Il radiotelescopio francese Nancay e il radiotelescopio Sardegna in Italia.
Questo sforzo multinazionale monitora 18 pulsar ad alta precisione nel cielo europeo per cercare eventuali anomalie temporali, potenziale evidenza di onde gravitazionali – fluttuazioni nel tessuto dello spaziotempo causate da potenti eventi cosmici.
Per PulCron, queste misurazioni del radiotelescopio vengono utilizzate per guidare l'uscita di un orologio atomico maser a idrogeno attivo con apparecchiature basate nella struttura di convalida geodetica e di sincronizzazione Galileo, combinando la sua estrema stabilità a breve e medio termine con l'affidabilità a lungo termine delle pulsar. Dalle misurazioni viene anche generato un record di "orologio di carta", per i successivi controlli post-lavorazione.
Configurazione del sistema PulChron, l'impostazione di un orologio atomico utilizzando impulsi in scala di millisecondi provenienti da pulsar a rotazione rapida. Le misurazioni del radiotelescopio vengono utilizzate per guidare l'uscita di un orologio atomico maser a idrogeno attivo con apparecchiature basate nel Galileo Timing and Geodetic Validation Facility dell'ESA, combinando la sua estrema stabilità a breve e medio termine con l'affidabilità a lungo termine delle pulsar. Dalle misurazioni viene generato anche un record "orologio di carta", per dopo, controlli post-lavorazione. Credito:Agenzia spaziale europea
L'ESA ha istituito la struttura di convalida temporale e geodetica nei primi giorni del programma Galileo, prima per prepararsi ai due satelliti di prova GIOVE dell'ESA e poi a sostegno del sistema Galileo, che abbraccia il mondo, basato su "Galileo System Time" che deve rimanere preciso a pochi miliardesimi di secondo. La struttura continua a fungere da metro indipendente delle prestazioni di Galileo, collegati a stazioni di monitoraggio in tutto il mondo, nonché uno strumento per l'indagine sulle anomalie.
Stefano aggiunge:"Il TGVF ha fornito un'occasione perfetta per ospitare il PulChron perché è in grado di integrare tali nuovi elementi con poco sforzo, e ha una lunga tradizione nelle applicazioni nel tempo, essendo stato utilizzato anche per sincronizzare l'offset di tempo e frequenza dei satelliti Galileo stessi."
La precisione di PulChron viene monitorata fino a pochi miliardesimi di secondo utilizzando l'adiacente laboratorio UTC dell'ESA, che sfrutta tre di questi orologi maser a idrogeno atomico più un trio di orologi al cesio per produrre un segnale di temporizzazione altamente stabile, contribuendo alla definizione del Tempo Universale Coordinato, UTC:l'ora del mondo.
È quindi possibile monitorare la deviazione graduale del tempo della pulsar dall'ora UTC di ESTEC, anticipata a una velocità di circa 200 trilionesimi di secondo al giorno.
