Usando radiotelescopios que observan estrellas distantes, Los científicos han conectado relojes atómicos ópticos en diferentes continentes. Los resultados fueron publicados en la revista científica Física de la naturaleza mediante una colaboración internacional entre 33 astrónomos y expertos en relojes del Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NICT, Japón), el Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, Italia), el Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italia), y el Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Francia).

El BIPM en Sèvres, cerca de París, calcula de forma rutinaria la hora internacional recomendada para uso civil (UTC, Tiempo Universal Coordinado) a partir de la comparación de relojes atómicos a través de comunicaciones por satélite. Sin embargo, las conexiones de satélite que son esenciales para mantener una hora global sincronizada no se han mantenido al día con el desarrollo de nuevos relojes atómicos:relojes ópticos que utilizan láseres que interactúan con átomos ultrafríos para dar un tic-tac muy refinado. "Para recibir todas las ventajas de los relojes ópticos en UTC, es importante mejorar los métodos de comparación de relojes en todo el mundo, "dijo Gérard Petit, físico del Departamento de Tiempos de BIPM.

En esta nueva investigación, Las fuentes de radio extragalácticas de alta energía reemplazan a los satélites como fuente de señales de referencia. El grupo de Sekido Mamoru en NICT diseñó dos radiotelescopios especiales, uno desplegado en Japón y el otro en Italia, para realizar la conexión utilizando la técnica de Interferometría de Línea de Base Muy Larga (VLBI). Estos telescopios son capaces de realizar observaciones en un gran ancho de banda, mientras que las antenas de solo 2,4 metros de diámetro las mantienen transportables. "Queremos demostrar que el VLBI de banda ancha tiene potencial para ser una herramienta poderosa no solo para la geodesia y la astronomía, sino también para la metrología ", comentó Sekido. Para alcanzar la sensibilidad requerida, las pequeñas antenas trabajaron en conjunto con un radiotelescopio más grande de 34 m en Kashima, Japón durante las mediciones tomadas del 14 de octubre de 2018 al 14 de febrero de 2019. Para el radiotelescopio de Kashima, Estas fueron algunas de las últimas observaciones antes de que el telescopio fuera dañado irreparablemente por el tifón Faxai en septiembre de 2019.

El objetivo de la colaboración era conectar dos relojes ópticos en Italia y Japón, separados por una distancia de referencia de 8700 km. Estos relojes cargan cientos de átomos ultrafríos en una red óptica, una trampa atómica diseñada con luz láser. Los relojes utilizan diferentes especies atómicas:iterbio para el reloj en INRIM y estroncio en NICT. Ambos son candidatos a una futura redefinición del segundo en el Sistema Internacional de Unidades (SI). "Hoy dia, 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 actuaciones que hoy, "dijo Davide Calonico, jefe de la división de Metrología Cuántica y Nanotecnología y coordinador de la investigación del INRIM.

La conexión es posible observando quásares a miles de millones de años luz de distancia:fuentes de radio alimentadas por agujeros negros que pesan millones de masas solares, pero tan distantes que pueden considerarse puntos fijos en el cielo. Los telescopios apuntan a una estrella diferente cada pocos minutos para compensar los efectos de la atmósfera. "Observamos la señal no de satélites, pero de fuentes de radio cósmicas, "comentó IDO Tetsuya, director del "Laboratorio de Estándares Espacio-Tiempo" y coordinador de la investigación en NICT. "VLBI puede permitirnos en Asia acceder a UTC confiando en lo que podemos preparar por nosotros mismos, "Añadió IDO.

Las antenas como las transportables utilizadas en estas mediciones se pueden instalar directamente en los laboratorios que desarrollan relojes ópticos en todo el mundo. Según Sekido, "una red de reloj óptico global conectada por VLBI puede realizarse mediante la colaboración entre las comunidades internacionales de metrología y geodesia, al igual que la red VLBI de banda ancha del Sistema de Observación Global VLBI (VGOS) ya se ha establecido, "mientras Petit comentó, "esperando enlaces ópticos de larga distancia, esta investigación muestra que todavía hay mucho que ganar con los enlaces de radio, donde el VLBI con antenas transportables puede complementar los sistemas globales de navegación por satélite y los satélites de telecomunicaciones ".

Además de mejorar el cronometraje internacional, tal infraestructura también abre nuevas formas de estudiar la física fundamental y la relatividad general, para explorar variaciones del campo gravitacional de la Tierra, o incluso la variación de las constantes fundamentales que subyacen a la física. Federico Perini, coordinador de la investigación del INAF, comentó, "Estamos orgullosos de haber sido parte de esta colaboración ayudando a lograr un gran paso adelante en el desarrollo de una técnica que, utilizando las fuentes de radio más distantes del Universo, hace posible la medición de las frecuencias generadas por dos de los relojes más precisos aquí en la Tierra ". Calonico concluye, "Nuestra comparación con VLBI brinda una nueva perspectiva para mejorar e investigar nuevos métodos de comparación de relojes, también mirando la contaminación entre diferentes disciplinas ".