Физика/ 9. Астрофизика и космические лучи
Учитель физики высшей квалификационной категории Онькова
О.В.
МКОУ Сокурская СОШ
Мошковского р-на Новосибирской обл., Россия
Пульсары и точное время.
Время – движущееся подобие вечности.
Платон.
Время – одно из
основополагающих понятий в самых различных областях знаний: физике, астрономии,
психологии, философии, не в последнюю очередь и в инфотелекомуникации и др.
С весьма давних времен перед человечеством вставали интересующие
его вопросы формирования шкалы времени,
имеющие довольно богатую историю. Поэтому шкалы времени издавна создавались для
самых разных применений и на основании различных требований к точности отсчёта
времени. И в настоящее время процессы
совершенствования шкал времени не прекращаются, обсуждаются разные варианты, в том числе в Международном союзе
электросвязи (МСЭ) [4]. Имеется,
определённая, пусть и не совсем ясная,
перспектива будущего развития
этих процессов.
Исторически сложилось
так, что в основу измерения времени было положено вращение Земли вокруг оси, на
основании чего была принятая единица измерения времени - сначала средние солнечные сутки, несколько
позже эфемеридные сутки. Единица измерения времени постоянно совершенствовалась,
чтобы отвечать современным требованиям точности и быть наилучшим приближением к
абсолютному времени, что было найдено метрологами в процессах микромира.
Таким образом была установлена новая единица времени - атомная секунда, которая определяет единицу
измерения частоты - герц.
В результате
теоретических исследований и практических разработок сформировалась группа
источников колебаний, имеющих сравнительно высокие метрологические
характеристики. Эти источники получили название мер частоты, они обладают
различными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, которые и
определяют области их практического использования. Меры частоты находят широкое
применение в различных областях современной радиоэлектроники: радиоизмерениях,
радиосвязи, радионавигации (наземной и космической), радиолокации,
радиоуправлении, радиоастрономии и, в первую очередь, в радиотехнической
системе единого времени в качестве устройств, формирующих и хранящих единицу
измерения времени и частоты с заданной степенью точности, определяемой
требованиями к характеристикам местных шкал времени [5].
После создания атомных
стандартов времени и частоты, казалось бы, в области измерения времени человек
достиг наибольшего совершенства, но, тем не менее, дальнейшее повышение
точности время - частотных измерений, оставалось острой необходимостью. Пока не был предложен один из перспективных
вариантов формирования высокоточной независимой от земных условий шкалы
времени, основанной на использовании строгопериодического излучения
галактических источников – пульсаров, использование ее при создании единой
координатно-временной системы. Пульсары, открытые в 1967 г. группой
кембриджских радиоастрономов под руководством Э. Хьюиша, как звезды в последней стадии своей жизни, помогли российским
(советским) ученым придумать уникальный "прибор" - пульсарные часы. Наблюдения
пульсаров на предмет построения
Пульсарной шкалы времени ведутся российскими учеными с 1968г. В разные
годы по проблеме Пульсарного времени трудилось множество ведущих сотрудников,
среди которых Ю.И Белов (НИРФИ), О.В. Дорошенко, А.Д Кузьмин, В.В. Орешко, В.А.
Потапов, А.В. Серов, Т.В. Шабанова (все ФИАН), А.Р. Оксентюк, Г.Н. Палий, С.Б.
Пушкин, Ю.А. Федоров (все ВНИИФТРИ), Л.М Зыкин (Миннауки РФ), Б.А. Попереченко
(ОКБ МЭИ) [7].
Пульсары – это
нейтронные звёзды с неограниченным временем жизни (порядка 109 лет), привлекшие к себе внимание как
потенциальные хранители времени, находящиеся вне влияния земных условий, благодаря беспрецедентной стабильности
вращения [1]. Особую актуальность это качество пульсаров приобретает в связи с
созданием и развитием глобальных
космических навигационных систем ГЛОНАСС
– GPS, основанных на метрическом единстве 4-мерного пространства-времени [2].
Установлено, что
последовательность интервалов пульсарного
времени может быть определена по наблюдаемым величинам параметров
вращения пульсара. В этом случае пульсарное
время, детерминированное наблюдательными параметрами, обладает
устойчивостью к многочисленным факторам нестабильности, как связанных с переменностью физических свойств объектов и среды, так и
вносимых в процессе наблюдений и обработки данных.
Параметризация
пульсарного времени открывает новые возможности коллекции наблюдательных данных
хронометрирования, в том числе:
ü
Выявление наблюдательной стабильности пульсаров и
пульсарного времени на любой протяженности;
ü
Сопоставление
пульсарного времени с реальным временем атомных хранителей;
ü
Исследование свойств,
поведения наблюдаемых объектов, среды по выявленным вариациям наблюдаемых интервалов.
Пульсарное время не может быть реализовано по аналогии с атомным временем. Прежде всего, невозможно
получить моменты наблюдаемых пульсарных
событий в реальном масштабе времени, так как результаты хронометрирования
вычисляются постнаблюдательной
компьютерной обработкой и принадлежат прошлому. Помимо этого, наблюдать удаётся не все, а лишь очень
небольшую часть пульсарных событий. Ввиду невозможности получения дискретного континуума пульсарного времени
непосредственно по выборочным данным
хронометрирования, возникала задача
воссоздания образа пульсарного времени в пределах рассматриваемой протяженности
наблюдений. То есть, для его реализации было принято параметрическое
представление интервалов как условие отображения последовательности интервалов
пульсарного времени [3]. Но с необходимым уточнением, что значения параметров,
определяющих интервалы, связываются непосредственно с исходными наблюдательными
данными хронометрирования, без привлечения опосредованных расчётных величин –
остаточных уклонений и их статистических оценок.
Пульсарное время, детерминированное наблюдаемыми
параметрами вращения, представляет собой целостный образ дискретного континуума
в пределах всей протяженности наблюдений, выполняющего две основные функции:
1.
Хранит стабильное
пульсарное время, как последовательность временных интервалов, не зависящих от
случайных вариаций наблюдаемых интервалов;
2.
Выявляет отклонения реального времени
измерительного атомного эталона, возвращая поправку атомного времени
относительно стабильного пульсарного времени.
Таким образом, последовательность интервалов
пульсарного времени является ключевым звеном коллекции астрометрических
пульсарных данных. С помощью данных предыдущих и текущих астрометрических
наблюдений пульсаров, интегрированных в единую последовательность, достигается
постоянство установленного масштаба
единицы измерения времени в пределах протяженности наблюдений, а сопоставлением
измеренного времени с пульсарным уточняется реальное время физического эталона.
Последовательность наблюдаемых интервалов, благодаря
высокой стабильности вращения пульсара,
фиксирует и хранит неограниченное время установленную единицу шкалы измерительного эталона, с помощью
которого было проведено хронометрирование. Если в процессе дальнейших
наблюдений масштаб единицы не
выдерживается строго постоянным, то наблюдаемые интервалы будут отображены уже несколько другими величинами, что
скажется в свою очередь и на измеренной
величине периода вращения пульсара. По выявленным изменениям интервалов и
периода измерительная шкала может быть скорректирована, а масштаб единицы приведен в соответствие с исходной
величиной.
Высокая стабильность параметрических рядов пульсарного
времени, чувствительность к вариациям масштаба единицы величины измерительного эталона времени,
позволяющие определять даже небольшие отклонения реального времени физических
хранителей, открывают новые возможности контроля характеристик стабильности и
коррекции хода атомных часов.
Включение пульсарного времени в состав группового
атомного хранителя для формирования шкалы атомного времени позволяет, используя
его в качестве опорного эталона, произвести сличение и определить поправки,
которые приводят показания всех атомных хранителей (а это почти 50 лабораторий
времени по всему миру [2]) в соответствие с высокостабильной шкалой пульсарного
времени.
Оказалось, что космические тела – пульсары постоянны в своем вращении: по радиосигналам,
принимаемым от них, можно измерять время в тысячи раз более точно, чем при
помощи любой другой астрономической шкалы. Пульсарная шкала времени на масштабах месяцев и лет - самая точная, и по стабильности
превосходит на два порядка любые атомные часы. А потому они признаны идеальными
"хранителями времени".
Литература:
1.
Ф.Г. Смит. Пульсары.
Пер. с англ., под ред. Проф. А.Д. Кузьмина. Москва, «Мир», 1979.
2.
К. Одуан, Б. Гино.
Измерение времени. Основы GPS. Пер. с
англ. под ред. В.М. Татаренкова. М., ТЕХНОСФЕРА, 2002.
3.
А.Е. Авраменко.
Параметрический синтез пульсарного
времени. //Измерительная техника, 2006, №6, 39-44.
4.
Г.В. Коновалов, А.М.
Меккель. Шкалы времени: история, регламентация в рекомендациях МСЭ и воплощение
в моделях. Науковi записки УНДДIЗ, №3(11), 2009.
5.
http://flot.com/org/space-nav/pub.htm
6.
http://www.astronet.ru/db/msg/1190817/node35.html
7.
http://www.prao.ru/History/history_8.html