Boeken

Monday, February 18, 2008

Zetten pulsars een nieuwe wereldwijde tijdstandaard?

Astronomen proberen een nieuwe tijdstandaard vast te stellen gebaseerd op het tikken van millisecondepulsars. Ze claimen dat deze pulsartijd over tien jaar stabieler zal zijn dan de atoomtijd.

Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, mei 2007


Alle oude culturen bepaalden de tijd aan de hand van de zon en andere hemellichamen. Pas met de uitvinding van de eerste mechanische klok in de 14e eeuw kwam daar langzaam verandering in. Slingeruurwerken, kwartsklokken en uiteindelijk atoomklokken konden de tijd steeds nauwkeuriger meten. Sinds 1967 is zelfs de seconde officieel niet langer meer gedefinieerd als het 1/86.400e deel van een gemiddelde dag, maar op grond van tikken van een cesiumatoomklok. Een groep astronomen heeft echter het plan om de tijd weer te baseren op de sterren, en niet op aardse klokken.

De van oorsprong Nieuw-Zeelandse astronoom Dick Manchester geeft in Australië leiding aan het Parkes Pulsar Timing Array, een onderzoeksproject dat in eerste instantie speurt naar zwaartekrachtgolven. Naar deze golven in de ruimtetijd wordt al decennialang gezocht, maar ze zijn nog nooit direct gemeten. Om zwaartekrachtgolven te detecteren worden de sublieme klokeigenschappen van zo’n twintig millisecondenpulsars benut. Pulsars zijn snel roterende neutronensterren die vuurtorenbundels van radiostraling uitzenden. Elke keer als zo’n bundel over de aarde strijkt, detecteren radiotelescopen een puls. Die pulsen zijn als tikken van een klok. Als de ruimtetijd nu lichtjes op en neer deint door een zwaartekrachtgolf, dan meten radiotelescopen even een iets anders tikkende klok.

Het project kan echter twee vliegen in een klap vangen. Manchester: “Het tweede doel is namelijk om aan de hand van de klokeigenschappen van dezelfde twintig pulsars een nieuwe tijdstandaard vast te stellen.” Eentje die volgens Manchester stabieler is dan de huidige internationale atoomtijd.

Tollende sterren
Pulsars zijn niet meer dan twintig tot dertig kilometer breed, maar de materie (vrijwel alleen neutronen) zit een miljoen maal een miljoen keer dichter op elkaar gepakt dan in gewone aardse materie. Een pulsar is wat er overblijft nadat een ster van minimaal een aantal zonsmassa’s onder zijn eigen zwaartekracht is geëxplodeerd (een supernova-explosie). De snelst roterende pulsars – millisecondepulsars – tollen honderden malen per seconde rond. Omdat ze zo massief en zo klein zijn, is hun tolsnelheid extreem stabiel. Ze laten zich door niets en niemand van de wijs brengen. Echter, omdat ze noodzakelijkerwijs energie verliezen bij het uitzenden van hun straling, remmen zelfs de beste millisecondepulsars een beetje af: ongeveer een miljoenste van een seconde in een miljoen jaar. Toch vervelend voor een klok die de beste wil worden.

“De miljoen-dollar-vraag is of deze afremming constant is of niet”, zegt Ben Stappers, pulsaronderzoeker van de Universiteit van Amsterdam, en net als Dick Manchester van oorsprong een Nieuw-Zeelander. Hij gebruikt onder andere de Westerbork Synthesis Radio Telescoop voor zijn pulsaronderzoek. “Voor zover we weten, is de afremming van de tolsnelheid inderdaad constant. Dat betekent dat we de pulsartijd ervoor kunnen corrigeren.” In principe blijft de gecorrigeerde pulsartijd dan steeds even snel tikken.

Stappers zit in het Europese samenwerkingsverband PULSE, dat dezelfde doelen heeft als het Australische project. De Europeanen hebben begin 2007 een samenwerkingsovereenkomst getekend met het team van Manchester. Stappers: “Vanuit Europa zien we deels andere pulsars dan de Australiërs op het zuidelijk halfrond zien, en deels dezelfde. Zien we dezelfde pulsars, dan kunnen we de metingen combineren en de nauwkeurigheid van de pulsartijd nog verder vergroten. En zien we andere pulsars, dan vullen onze metingen elkaar aan.”

Atoomtijd meet pulsartijd
Een cesiumatoomklok tikt in een seconde meer dan negen miljard keer. Veel meer tikken per seconde dus dan de snelste pulsar. “Daarom kun je met een pulsar tijdschalen korter dan milliseconden niet meten”, aldus Stappers. “Daar blijf je atoomklokken voor nodig hebben. Maar het is niet vreemd dat je verschillende soorten klokken gebruikt op verschillende tijdschalen. Bij de Westerbork-telescoop gebruiken we voor de kortste tijdschalen een klok gebaseerd op een rubidiumkristal. Voor de wat langere tijdschalen gebruiken we een klok gebaseerd op een waterstofmaser, de beste klok tot de cesiumatoomklok op het toneel verscheen. De tijd van de waterstofmaser vergelijken we vervolgens met de GPS-tijd, die zelf weer gebaseerd is op atoomklokken. Natuurlijk zouden we liever een eigen atoomklok hebben, maar die kunnen we niet betalen. De groep van Dick Manchester gebruikt trouwens wel een directe link tussen de telescoop en een Australische atoomklok om de pulsartijd te meten.”
Als pulsartijd de kortste tijdschalen niet kan meten, wat is dan toch het voordeel van een pulsartijd boven atoomtijd? Dick Manchester: “Het grote voordeel van pulsars ligt in hun stabiliteit over lange tijdschalen: jaren, decennia en zelfs eeuwen. Atoomklokken hebben een levensduur van een paar jaar. Dan worden ze weer vervangen door betere. Bovendien gaat het vacuümsysteem van zo’n klok gaat langzaam achteruit, net als andere dingen in de behuizing van een atoomklok. Maar een pulsar staat ergens ver in de ruimte, kan er miljarden jaren staan en heeft geen last van wat er ook op aarde gebeurt. Ik weet niet of het effect heeft, maar stel dat atoomklokken door de opwarming van de aarde iets anders gaan tikken, dan zal niemand dat merken, omdat alle atoomklokken dan iets anders gaan tikken. Pulsars zullen daar nooit last van hebben. Met de pulsartijd hebben we een onafhankelijke methode om de aardse tijd te controleren, en eventuele fouten in de aardse tijd te ontdekken.”

Maar wellicht dat pulsars wel van andere dingen last hebben. Weten wij veel wat er ver in het heelal allemaal gebeurt. “Dat kan in principe”, beaamt Manchester. “Maar daarom willen we de tijd baseren op een gemiddelde van minimaal twintig pulsars, die verspreid over verschillende delen van het heelal staan. Als er met een pulsar op een gegeven moment toch iets geks gebeurt, dan gooien we die uit de lijst van pulsars die bijdragen aan de pulsartijd.”

Stabieler dan atoomtijd
De Parkes Radio Telescoop in Australië houdt sinds drie jaar het tikken bij van twintig millisecondepulsars. Aan een aantal van deze pulsars is zelfs al tien jaar gemeten. Manchester: “Over deze tien jaar hebben we de frequentie van een enkele pulsar bepaald met een nauwkeurigheid van 1 op 1015. Dat is vergelijkbaar met de nauwkeurigheid van de beste atoomklokken. Maar als we een jaar of tien verder zijn, dan is de stabiliteit superieur aan die van atoomklokken. Bovendien hebben we de tijd tot nu toe alleen gebaseerd op individuele pulsars. Als we gaan middelen over alle twintig pulsars, dan neemt de nauwkeurigheid nog verder toe. We denken dat twintig pulsars al voldoende zijn om atoomklokken te verslaan. Wie geïnteresseerd is in een klok die stabiel is over meerdere jaren, kan beter de pulsartijd gebruiken dan de atoomtijd.”

Als astronomen de tijd over tien jaar zouden baseren op alleen de twee beste pulsars dan leidt dat tot een verwachte afwijking van twee milliseconden in een miljoen jaar, zo heeft Manchester berekend. De beste atoomklokken hebben een verwachte afwijking van tien milliseconden in een miljoen jaar; een factor vijf minder goed. Met meer pulsars moet de pulsartijd het nog beter gaan doen. Manchester: “Natuurlijk weten we van de pulsars niet zeker of ze stabiel zijn tot over een miljoen jaar, omdat we er pas tien jaar aan meten. Maar we weten wel zeker dat atoomklokken dat niet zijn. Pulsars zijn dat misschien wel.”
Nu nog is de seconde gedefinieerd als 9 miljard 192 miljoen 631 duizend 770 tikken van een cesiumatoomklok. Het zal nog een hele strijd worden voor de astronomen om het Internationale Bureau voor Maten en Gewichten te overtuigen dat de seconde in veiliger handen is bij de pulsars. Ongetwijfeld zullen de atoomklokfysici zich niet gemakkelijk gewonnen geven. Het voordeel dat atoomklokken nodig blijven voor het meten van fenomenen die sneller tikken dan pulsars hebben ze alvast.


Meer informatie:
Parkes Pulsar Timing Array-project: www.atnf.csiro.au/research/pulsar/array/
Achtergrondinformatie over pulsars: http://outreach.atnf.csiro.au/education/everyone/pulsars/
De Nederlandse pulsargroep: www.astron.nl/~stappers/wiki/doku.php?id
De Westerbork Synthesis Radio Telescope: www.astron.nl/pnl/observingnl.htm
De International Atomic Time (TAI) wordt bepaald door het Bureau International des Poids et Mesures in Parijs: www1.bipm.org/en/scientific/tai/
De geschiedenis van tijdmetingen: http://physics.nist.gov/GenInt/Time/time.html