De gecoördineerde wereldtijd (UTC) wordt vastgesteld met diverse atoomklokken op verschillende continenten, die via satellietcommunicatie worden vergeleken. Onderzoekers tonen nu aan dat je een hogere nauwkeurigheid verkrijgt als je in plaats van satellieten sterrenkundige observaties van radiotelescopen gebruikt.

Atoomklokken zijn extreem nauwkeurige uurwerken. Als je ze 100 miljoen jaar laat lopen, zitten ze er hooguit een seconde naast. Dit is mogelijk doordat ze gebruik maken van de natuurlijke trilling van atomen. En die is rotsvast. De frequentie van die trilling is altijd en overal in het heelal hetzelfde.

Supernauwkeurige klokken

Om het tikken van atoomklokken tot een afstand van enkele duizenden kilometers te vergelijken, voldoen glasvezelverbindingen prima. Voor klokken op verschillende continenten is dat niet haalbaar. Daarvoor wordt satellietcommunicatie gebruikt.

‘Fossiele samenwerking is nodig voor een snelle energietransitie’
LEES OOK

‘Fossiele samenwerking is nodig voor een snelle energietransitie’

Universiteiten moeten hun samenwerking met de fossiele industrie niet stopzetten, vindt scheikundige Marc Koper. Dat vertraagt de energietransitie.

Maar sinds kort is satellietcommunicatie niet meer nauwkeurig genoeg. Er zijn namelijk atoomklokken ontwikkeld die nóg nauwkeuriger zijn, zogeheten ‘optische atoomklokken’. Als je een dergelijke klok veertien miljard jaar geleden tijdens de oerknal had aangezet, dan zou hij nu hooguit een seconde uit de pas lopen. De satellietcommunicatie kan deze nauwkeurigheid niet bijbenen. Daarom hebben onderzoekers een nieuwe manier bedacht om optische atoomklokken te vergelijken.

Sterrenstelsels vervangen satellieten

De onderzoekers richtten zich op een techniek genaamd very-long-baseline interferometry (VLBI), die in de sterrenkunde gebruikt wordt om verre objecten te onderzoeken. Deze techniek wordt onder andere veel benut om naar quasars te kijken: extreem heldere centra van sterrenstelsels.

Bij VLBI nemen meerdere radiotelescopen tegelijkertijd hetzelfde object waar. Die metingen worden dan samengevoegd om een beter beeld te krijgen van het object. Om de observaties samen te kunnen voegen, krijgt elk beeld een tijdstempel van een atoomklok die bij de telescoop staat. Nu worden deze atoomklokken vooraf gesynchroniseerd, via glasvezel of satellieten.

De VLBI-techniek kan ook omgekeerd worden. Quasars staan op miljarden lichtjaren afstand, waardoor je ze als vaste punten aan de hemel kunt beschouwen. Daarom kun je ze als referentiepunt gebruiken. De tijdstippen waarop het radiosignaal van een quasar aankomt bij twee radiotelescopen wordt gemeten met de atoomklokken. Het verschil tussen de aankomsttijden is – na correctie voor de afstand en omgevingsinvloeden – het verschil tussen de atoomklokken.

Atoomklokken op 8700 kilometer afstand

Een internationale onderzoekersgroep heeft aangetoond dat je met deze techniek twee optische atoomklokken op verschillende continenten kunt vergelijken. Ze gebruikten een klok in Japan en een klok in Italië. Bij beide klokken zetten ze een klein, gemakkelijk te vervoeren radiotelescoopje neer met een antenneschotel met een doorsnee van 2,4 meter. Deze twee kleintjes werkten samen met een radiotelescoop van 34 meter groot in Kashima in Japan. Met deze opstelling hebben ze de atoomklokken op 8700 kilometer afstand succesvol met elkaar vergeleken.

Radiotelescopen neerzetten om de gecoördineerde wereldtijd nog nauwkeuriger te laten lopen, lijkt overdreven. Maar nauwkeurige, gesynchroniseerde klokken spelen een belangrijke rol in natuurkundig onderzoek. Bovendien zijn de nieuwe optische atoomklokken zo nauwkeurig dat je de seconde er opnieuw mee kunt definiëren.

De gebruikte radio-antennes en optische atoomklokken. Linksboven: 2,4 m antenne geïnstalleerd bij INAF, Italië. Midden boven: antenne van 2,4 m geïnstalleerd bij NICT, Japan. Rechtsboven: antenne van 34 m bij NICT, Japan. Linksonder: de ytterbium optische atoomklok bij INRIM, Italië. Rechtsonder: De strontium optische atoomklok bij NICT, Japan