Quasares são usados para comparar dois dos relógios mais precisos da Terra

Por Daniele Cavalcante | 10 de Outubro de 2020 às 16h00
Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

Relógios atômicos localizados em diferentes lugares do mundo foram conectados e comparados com sinais vindos de objetos espaciais muito mais distantes do que os satélites normalmente usados para serviços meteorológicos. Uma equipe internacional de cientistas realizou o estudo utilizando um quasar — um objeto extremamente brilhante em outra galáxia — para aprimorar o método de comparação de relógios em todo o mundo.

Os resultados dessa pesquisa foram publicados na revista Nature Physics pela equipe de 33 astrônomos e especialistas em relógios. Entre os pesquisadores, estavam membros de institutos da Itália e do Japão, já que os dois países são os “lares” dos relógios atômicos usados no experimento. Um desses institutos é o Bureau internacional de Pesos e Medidas (BIPM/Sèvres), que fica perto de Paris.

O BIPM é responsável por calcular rotineiramente o horário internacional recomendado para uso civil do padrão UTC (Tempo Universal Coordenado). Com o padrão UTC, podemos obter uma referência mundial para calcular o fuso horário de todas as outras zonas, como o Horário de Brasília, por exemplo. É de fundamental importância nos dias de hoje que todos os relógios utilizem o mesmo padrão, para que não haja diferença alguma entre horários de um país par ao outro — ainda mais nos dias de hoje em que a tecnologia nos conecta cada vez mais e serviços importantes estão profundamente dependentes da precisão de horários.

Pois bem, o BIPM calcula este horário internacional a partir da comparação de relógios atômicos e, para isso, eles utilizam comunicações via satélite. No entanto, as conexões de satélites não acompanharam mais o desenvolvimento dos novos relógios atômicos, que utilizam lasers interagindo com átomos ultra-frios para produzir um “tique-taque” altamente refinado e preciso. Os satélites ainda são essenciais para manter um tempo global sincronizado, mantendo assim o funcionamento de serviços internacionais para os quais a precisão dos horários é fundamental, mas com o advento de relógios ainda mais precisos, os satélites podem precisar ser substituídos por outros métodos de comparação.

Acima, as antenas usadas no experimento; abaixo, os relógios atômicos conectados com o radiotelescópio para as medições que usaram quasares como referência (Imagem: Reprodução/Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica)

Para essa equipe de cientistas, o novo método pode estar em uma galáxia muito distante. Mais precisamente, em quasares — centros galácticos tão ativos que brilham imensamente. Esses objetos, gerados por buracos negros supermassivos nos corações das galáxias, emitem uma grande quantidade de radiação e são geralmente usados pelos astrônomos como uma espécie farol cósmico para medir tempo e distâncias. Assim, nessa pesquisa, as fontes de rádio emitidas pelos quasares foram escolhidas para substituírem os satélites como fonte de sinais de referência para os relógios atômicos.

Um dos grupos japoneses que fizeram parte do estudo (o Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação, ou NICT) projetou dois radiotelescópios especiais. Um deles foi instalado no Japão e outro na Itália, com o objetivo de fazer a conexão usando uma técnica chamada Interferometria de Longa Linha de Base (VLBI, da sigla em inglês). Trata-se de um tipo de interferometria astronômica usada na astronomia que usa sinais de rádio como referência para os estudos. Em suma, o sinal de uma fonte de rádio astronômica — como um quasar — é coletado em vários radiotelescópios na Terra. A distância entre os radiotelescópios é então calculada usando a diferença de tempo entre as chegadas do sinal de rádio nos diferentes telescópios.

Com os dois telescópios criados pelo NICT, a equipe foi capaz de fazer observações dos quasares em uma grande largura de banda, mesmo com antenas parabólicas portáteis de apenas 2,4 metros de diâmetro. Bem, elas tiveram que trabalhar em conjunto com um radiotelescópio maior, de 34 m, instalado em Kashima, Japão, para obter a precisão desejada. “Queremos mostrar que o VLBI de banda larga tem potencial para ser uma ferramenta poderosa não apenas para geodésia e astronomia, mas também para metrologia [estudo das medições e suas aplicações]”, comentou Sekido, pesquisador do NICT.

Ilustração do Quasar ULAS J1342+0928 (Imagem: Reprodução/Robin Dienel/Carnegie Institution For Science)

Assim, a equipe realizou medições com esse conjunto de equipamentos entre 14 de outubro de 2018 e 14 de fevereiro de 2019. Infelizmente, foram as últimas tarefas do radiotelescópio de Kashima, que foi destruído pelo tufão Faxai em setembro de 2019. Mas o estudo foi bem sucedido em sua tentativa de conectar dois relógios ópticos na Itália e no Japão, separados por uma distância de 8.700 km. Ambos os relógios são candidatos a uma futura redefinição do segundo no Sistema Internacional de Unidades (SI), mas para isso “eles precisam enfrentar o desafio de comparar relógios globalmente, em escala intercontinental, com desempenhos melhores que os de hoje", disse Davide Calonico, chefe da Divisão de Metrologia Quântica e Nanotecnologia.

Outa vantagem da abordagem usada nessa pesquisa é o fato das antenas serem pequenas o suficiente para serem transportáveis e instaladas diretamente nos laboratórios de desenvolvimento de relógios ópticos em qualquer parte do mundo. Isso significa que elas podem inclusive serem usadas para complementar os Sistemas Globais de Navegação por Satélite através das medições de fontes de rádio poderosas, como os quasares.

Os benefícios dessa técnica vão além das melhorias na cronometragem internacional do tempo em relógios atômicos. Por exemplo, os pesquisadores podem usar o método para encontrar novas maneiras de estudar a física e a própria teoria da relatividade geral. É que a técnica de VLBI também pode ser revertida para fazer estudos do nosso próprio planeta, tais como análise das variações do campo gravitacional da Terra.

Fonte: Phys.org

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