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Un orologio precisissimo, sincronizzato con le stelle

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This image captures such an unusual scene, featuring both a strongly magnetised, rotating neutron star – known as a pulsar – and its cosmic cloak, the remains of the explosion that generated it. This pulsar, named SXP 1062, lies in the outskirts of the Small Magellanic Cloud, one of the satellite galaxies of our Milky Way galaxy. It is an object known as an X-ray pulsar: it hungrily gobbles up material from a nearby companion star and burps off X-rays as it does so. . Copyright ESA/XMM-Newton/ L. Oskinova/M. Guerrero; CTIO/R. Gruendl/Y.H. Chu

Il centro tecnico dell’ESA nei Paesi Bassi ha iniziato a gestire un orologio basato su pulsar. Il sistema PulChron misura il passare del tempo usando impulsi radio a frequenza millisecolare da più stelle di neutroni a rotazione rapida.

Operativo dalla fine di novembre 2018, questo sistema di cronometraggio basato su pulsar è ospitato nel Galileo Timing and Geodetic Validation Facility dell’ESA, a Noordwijk, nei Paesi Bassi, e fa affidamento sulle osservazioni in corso di una serie di cinque radiotelescopi in tutta Europa.

Le stelle pulsar

Le stelle di neutroni sono la forma più densa di materia osservabile nel cosmo, formata dal nucleo collassato di stelle che esplodono. Minuscole in termini cosmici, dell’ordine di una dozzina di chilometri di diametro, hanno ancora una massa maggiore del nostro Sole.

Una pulsar è un tipo di stella di neutroni a rotazione rapida con un campo magnetico che emette un raggio di radiazione dal suo polo. A causa della loro rotazione, mantenuta stabile dalla loro estrema densità, le pulsar viste dalla Terra sembrano emettere radiazioni radio molto regolari. Tanto che nel 1967 il loro scopritore, l’astronomo britannico Jocelyn Bell Burnell, inizialmente le considerò la prova dell’esistenza di “omini verdi”.

Meglio gli orologi pulsar o gli orologi atomici?

“PulChron mira a dimostrare l’efficacia di una scala temporale basata sulla 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, supervisore del progetto PulChron.

“Una scala temporale basata su misurazioni di 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 del tutto indipendente dalla tecnologia a orologio atomico utilizzata, non si basa su scambi tra stati di energia atomica ma sulla rotazione di stelle di neutroni”.

Radiotelescopi per sincronizzare gli orologi

PulChron genera lotti di misurazioni di pulsar dai cinque radiotelescopi di classe 100-m che formano lo European Pulsar Timing Array: il radiotelescopio Westerbork nei Paesi Bassi, il radiotelescopio Effelsberg in Germania, il Lovell Telescope nel Regno Unito, il radiotelescopio francese Nancay e il Sardinia Radio Telescope in Italia.

Questo sforzo multinazionale monitora 18 pulsar altamente precise nel cielo europeo per cercare eventuali anomalie temporali, potenziale evidenza di onde gravitazionali – fluttuazioni nel tessuto dello spaziotempo causate da potenti eventi cosmici.

Per PulChron, queste misurazioni del radiotelescopio vengono utilizzate per indirizzare l’uscita di un orologio atomico maser all’idrogeno attivo con apparecchiature basate su Galileo Timing e Geodetic Validation Facility, combinando la sua estrema stabilità a breve e medio termine con l’affidabilità a lungo termine della pulsar.

Il Timing and Geodetic Validation Facility

Nei primi giorni del programma Galileo, l’ESA ha istituito il Timing and Geodetic Validation Facility, in primo luogo per preparare i due satelliti test GIOVE dell’ESA e successivamente a sostegno del sistema Galileo, basato su “Galileo System Time” che deve rimanere accurato a pochi miliardesimi di secondo. Lo strumento continua a fungere da criterio indipendente per le prestazioni di Galileo, collegato alle stazioni di monitoraggio di tutto il mondo, nonché uno strumento per le indagini sulle anomalie.

Stefano aggiunge: “Il TGVF ha offerto un’opportunità perfetta per ospitare PulChron perché è in grado di integrare tali nuovi elementi con poco sforzo e ha una lunga tradizione nelle applicazioni temporali, essendo stato utilizzato anche per sincronizzare l’offset di tempo e frequenza dei satelliti Galileo stessi.”

L’accuratezza di PulChron viene monitorata fino a pochi miliardesimi di secondo utilizzando il laboratorio UTC adiacente dell’ESA, che utilizza tre orologi atomici maser più un trio di orologi al cesio per produrre un segnale di temporizzazione altamente stabile, contribuendo all’impostazione del tempo universale coordinato, UTC: il tempo del mondo.

È quindi possibile tracciare la graduale deviazione del tempo di pulsar dal tempo UTC di ESTEC, anticipata ad un ritmo di circa 200 trilioni di secondo al giorno.

 

 

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