Polacy zbudowali najdokładniejszy zegar na Ziemi

W piątek (25.11) w kościele św. Katarzyny w Gdańsku, miała miejsce uroczysta inauguracja pierwszego na świecie zegara pulsarowego - najdokładniejszego zegara jaki powstał w historii naszej cywilizacji. Jak on funkcjonuje, kto go zbudował i dlaczego? Poznajcie najnowsze osiągnięcie polskiej nauki.

Na 400. rocznicę urodzin gdańskiego astronoma Jana Heweliusza, świat nauki przygotował wspaniałą niespodziankę. W piątek w kościele św. Katarzyny w Gdańsku zaprezentowano pierwszy na świecie zegar pulsarowy. Na uroczystość przybyły władze miasta, naukowcy, duchowni, jak i sami mieszkańcy. Prezentacja odbyła się w miejscu wyjątkowym, ponieważ właśnie w tym kościele znajduje się płyta nagrobna Heweliusza. Na uwagę zasługuje także fakt, że po raz kolejny udało się pokazać, że naukę można połączyć z religią, czego dowodem miała być prezentacja zorganizowana właśnie w kościele. Redakcja GeekWeek.pl była obecna na uroczystości. Specjalnie dla Was mamy zdjęcia i relację z pięknie oświetlonego wnętrza kościoła św. Katarzyny.

Co zbudowano ?

Prototyp zegara pulsarowego działającego w oparciu o impulsy radiowe odbierane z pulsarów. Jest to urządzenie rozpoczynające tworzenie Pulsarowej Skali Czasu (zewnętrznej w stosunku do planety Ziemi) o dokładności przewyższającej wszystkie inne skale czasowe stosowane do tej pory.

Planuje się uzyskać, poprzez obserwację wielu pulsarów, precyzję długookresową 10‘18 na okres kilkudziesięciu lat. Instrument umożliwi prowadzenie dalszych prac nad wykorzystaniem pulsarów do celów GPS, bez zewnętrznej bazy czasu i niezależnej od systemu satelitów.

Pomiar czasu:

Od najdawniejszych czasów zjawiska astronomiczne nada¬wały rytm życiu biologicznemu na naszej planecie. Kiedyś, w głębokiej starożytności rozpoczęliśmy rachubę czasu zegarami czerpiącymi swe wskazania z kosmosu - z położenia Słońca na niebie. Naturalna okresowość tych zjawisk stała się miarą tempa upływającego czasu, a liczba tych zjawisk definiowała przedział czasu.

Wzorce atomowe pozwalają dokonywać pomiarów czasu z precyzją rzędu 10'15 s/s. Pomiary czasu zjawisk w skali subsekundowej odnoszą się do podstawowych oscylacji wzorcowych atomów i tu osiągnęliśmy bardzo wysoką precyzję. Jednak nadal pozostaje problemem długoczasowa stabilność chodu współcześnie używanych zegarów. Wszystkie one wymagają wprowadzenia poprawek na zmianę temperatury, ciśnienia, wilgotności, ciśnienia lokalnego pola magnetycznego, a także pola grawitacyjnego.

Wydawało się, że potrzeba precyzyjnego wyznaczania czasu wybiega daleko poza stabilność podstawowych rytmów przyrody. Nic bardziej mylnego. Odkrycie radiowych pulsarów oraz późniejsze studia tych obiektów radykalnie zmieniły sytuację. Przy konstruowaniu najlepszych zegarów ponownie wracamy do zjawisk (rytmów) astronomicznych.

Pulsary to osobliwe gwiazdy karłowate zwane gwiazdami neutronowymi, które powstały w wyniku wybuchu supernowych. Mają gęstości rzędu miliarda ton na cm3 przy średnicy ponad 10km i masie większej niż masa Słońca.

Pierwszy pulsar został odkryty przypadkowo w 1967r. podczas obserwacji radiowych. Badacze byli zaskoczeni niespotykaną dotychczas regularnością i stabilnością dochodzących do ziemi sygnałów. Przez pewien czas przyjmowano, że obserwowany sygnał został wysłany przez pozaziemska cywilizację i utajniono obserwacje.

Pulsary mają najwyższą znaną dziś długoczasową stabilność okresów rotacji. Niektóre z nich wyższą niż najlepsze używane obecnie zegary atomowe. Zatem są one znakomitymi naturalnymi źródłami impulsów czasowych pozwalających korygować długoczasowy chód współcześnie używanych wzorców czasu.

Pulsarowa skala czasu oparta na permanentnej obserwacji wielu pulsarów oferuje dokładność i stabilność pomiarów w czasie rzeczywistym o nieosiągalnych do tej pory parametrach.

Skale czasu:

Obecnie czas na Ziemi wyznaczają zegary atomowe - Temps Atomique International (TAI) - i jest to skala czasu niepowiązana bezpośrednio z żadnym zjawiskiem fizycznym, a tylko rachunkowo uśrednioną wielkością z sieci wytypowanych zegarów atomowych. Aby się nie oderwać zanadto od matki natury - korygujemy czas TAI do stanu nieba, a gdy czas efemeryd oddali się od TAI więcej niż o 1 sekundę, arbitralnie przenumerowujemy czas TAI o 1 sekundę. Tak powstaje skala czasu UTC (Universal Time Coordinated) - obowiązujący nas czas na świecie.

Cóż z tego! Już wiadomo, że jednostka TAI jest permanentnie dłuższa od definicyjnej sekundy SI z poziomu morza. Co więcej, niedawno specjaliści od czasu i teorii względności doszli do wniosku, że sekunda jak i inne jednostki SI są lokalne na orbicie Ziemi i różnią się od tych w środku ciężkości Układu Słonecznego - najodpowiedniejszego wzorca dla astronomów i techniki kosmicznej w przypadku wysyłania aparatów daleko poza ziemską orbitę.

Zegar Pulsarowy:

Kilka ośrodków naukowych na świecie pracuje nad wykorzystaniem pulsarów do synchronizacji zegara atomowego, ale prace te mają charakter laboratoryjny, bez aplikacji do zegara pulsarowego, którego chód byłby na bieżąco synchronizowany poprzez odbierane w czasie rzeczywistym sygnały pulsarów.

Na początku lat 2000, zrodził się pomysł zbudowania zegara wykorzystującego jako podstawę czasu gwiazdę neutronową (pulsar). W 2009r. idea przybrała realistyczna formę - inwestorem zostało Muzeum Historyczne Miasta Gdańska, które kultywuje pamięć wielkiego gdańskiego astronoma Jana Heweliusza (1611-1687), a zbudowanie pierwszego na świecie zegara pulsarowego uznało za doskonały sposób upamiętnienia tego uczonego w roku 400 rocznicy jego urodzin.

Muzeum zaprosiło do współpracy dwóch finansowych partnerów: Miasto Gdańsk i Pomorską Specjalną Strefę Ekonomiczną. Powołano zespół badawczy, którego trzon stanowią: pomysłodawca - Grzegorz Szychliński z MHMG, Mirosław Owczynnik i Dariusz Samek - inżynierowie elektronicy z gdańskiej firmy EKO Elektronik oraz Eugeniusz Pazderski z Centrum Astronomicznego UMK w Toruniu - jeden z najlepszych specjalistów w dziedzinie aparatury radioastronomicznej w kraju.

Celem była budowa urządzenia tworzącego Pulsarową Skalę Czasu, najbardziej stabilną z dotychczas znanych skal czasu. Budowany w Gdańsku zegar pulsarowy ma stanowić platformę testową, której celem jest udowodnienie słuszności samej idei oraz doprowadzenie proponowanej technologii do perfekcji.

Urzekła nas z jednej strony niedostępna do tej pory dokładność i stabilność takiego zegara w długich okresach czasu, uniwersalność takiego wzorca (gdyby jakaś hipotetyczna awaria zatrzymała wszystkie zegary świata, to z pulsarowej skali czasu można by rachubę czasu odtworzyć), a z drugiej strony niewątpliwie oczarowała nas pewna metafizyczność urządzenia, które rachubę czasu - główne narzędzie porządkujące życie ludzi na Ziemi - prowadzi według sygnałów otrzymywanych z głębi Galaktyki. Jesteśmy przecież dziećmi kosmosu!

Zasada działania zegara pulsarowego:

W gdańskim zegarze pulsarowym sygnały od wytypowanych pulsarów są odbierane przez 16 anten. Wszystkie anteny są ustawione w macierz 4x4 zwaną interferometrem. Każda z anten widzi prawie całe niebo nad nami.

Interferometr odbiera fale radiowe z ograniczonego obszaru na niebie (wiązka). Wraz z przesuwaniem się pulsara na niebie, komputer przesuwa wiązkę, śledząc ruch gwiazdy.

Sygnał z każdej polaryzacji anteny jest wzmacniany, filtrowany i przetwarzany do częstotliwości podstawowej (0-64MHz), a następnie poddany próbkowaniu w przetworniku ADC. Przetwarzanie cyfrowe odbywa się w układach FPGA.

Podczas obserwacji komputer oblicza chwilowe okresy obserwowanego pulsara, zmieniające się wskutek bardzo złożonego ruchu obserwatora. Po uzyskaniu pulsu zintegrowanego, komputer oblicza obserwowany czas dotarcia pulsu pulsara do barycentrum Układu Słonecznego. Dane z kilku pulsarów program filtrujący interpretuje i zmienia częstotliwość wzorca atomowego. Dodatkowy algorytm w długim okresie czasu uściśla wyniki pomiarów.

W efekcie, po pewnej liczbie obserwacji możemy mówić, że urządzenie tworzy pulsarową skalę czasu, najbardziej stabilną z dotychczas znanych skal czasu.

Lokalizacja zegara:

Zegar zainstalowany jest w centrum Starego Miasta w Gdańsku, w punkcie 54°21'15"N, 18°39'6"E