Ricercatori australiani hanno inviato un segnale di riferimento tra due telescopi radio utilizzando un collegamento di 155 chilometri di fibra ottica per telecomunicazioni. La tecnologia è utile per collegare schiere di parabole radioastronomiche come quelle nell’immagine, che rappresenta l’Australia Telescope Compact Array. Crediti: D. Smyth, Csiro
In un articolo pubblicato sulla rivista Optica, un consorzio di istituzioni australiane ha dimostrato, per la prima volta, che un riferimento di frequenza stabile può essere trasmesso a più di 300 chilometri di distanza su una normale rete di telecomunicazioni in fibra ottica e utilizzato per sincronizzare due radiotelescopi in modo affidabile. Si tratta in qualche modo di una rivoluzione, che apre la possibilità di realizzare schiere di radiotelescopi sincronizzati fra loro semplicemente accedendo all’infrastruttura di rete commerciale.
Per collegare più antenne radio assieme – e farle lavorare all’unisono come un unico, più grande, radiotelescopio – è fondamentale che tutte le antenne siano sincronizzate temporalmente in maniera estremamente accurata. All’atto pratico è quindi necessario che ogni singolo radiotelescopio abbia accesso a un orologio atomico per registrare il tempo preciso in cui viene rilevato un segnale da un oggetto nello spazio.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica per cui il riferimento temporale viene trasferito su fibra ottica con un laser, ovvero una radiazione elettromagnetica di frequenza definita. Per ogni antenna, al posto dell’orologio atomico è previsto un semplice oscillatore al quarzo, dal costo di poche decine di migliaia di euro.
I risultati mostrano che la tecnica è in grado di compensare le fluttuazioni di segnale nella rete in fibra ottica, introdotte da fattori ambientali quali variazioni di temperatura o vibrazioni. La dimostrazione è stata effettuata lungo un collegamento dedicato, ma anche servendosi di una rete, sempre in fibra ottica, su cui scorreva contemporaneamente il normale traffico Internet.
Non è un caso che la nuova ricerca venga dall’Australia, in quanto proprio il Nuovo Continente ospiterà una parte del più grande radiotelescopio mai concepito, lo Square Kilometer Array (Ska), per il quale una quantità senza precedenti di antenne verranno collegate tra loro per ottenere un’area di raccolta complessiva pari circa a un chilometro quadrato, come dice il nome del progetto.
Il link in fibra ottica dell’Inrim per la disseminazione di segnali di tempo e frequenza. Fonte: sito web Inrim
Anche in Italia si sperimenta una tecnologia analoga, grazie all’Inrim, l’Istituto nazionale di ricerca metrologica, e all’Istituto nazionale di astrofisica. L’Inrim di Torino, dove si trova l’orologio campione nazionale – uno dei più precisi al mondo – che realizza la definizione del secondo nel Sistema Internazionale delle misure, è collegato in fibra ottica anche con la Stazione radioastronomica Inaf di Medicina, in provincia di Bologna.
«Da alcuni anni stiamo sperimentando la trasmissione del segnale di tempo/frequenza su fibra ottica a Medicina in collaborazione con Inrim» racconta a Media Inaf Mauro Nanni, tecnologo dell’Istituto di radioastronomia Inaf di Bologna. «Loro ci mettono un super-orologio atomico e ci inviano il riferimento temporale su una tratta di fibra ottica dedicata; noi confrontiamo il tempo che arriva con il nostro orologio atomico nuovo di zecca. Abbiamo anche fatto osservazioni usando i dati dell’antenna Vlbi di Medicina taggati con la frequenza che arriva da Inrim assieme ad altri radiotelescopi che avevano un proprio orologio atomico. Le prove sono andate benino, ma non ancora in maniera ottimale. Quindi siamo alla ricerca dei problemi, che derivano probabilmente dai ripetitori ottici del segnale sulle fibre. Il Vlbi serve in questo caso come strumento per test accurati, in quanto la correlazione richiede una altissima precisione temporale».
Il Vlbi (Very Long Base Interferometry, interferometria a lunghissima base) è la tecnica con cui si fanno lavorare assieme antenne sparse per il globo come se fossero un’unica parabola grande quanto la distanza che separa le antenne. Le osservazioni delle singole antenne devono essere “correlate”, ovvero sincronizzate sullo stesso riferimento temporale. È facile intuire come sistemi affidabili ed economici di trasmissione di segnali di riferimento temporali siano essenziali per la nuova generazione di interferometri ma, in primo luogo, per progetti ambiziosi come Ska.
Mauro Nanni. Crediti: Media Inaf
«La tecnologia della trasmissione del tempo/frequenza su fibra ottica ha come primo impatto quello di non rendere più necessario comprare un orologio atomico – che costa tra i 100mila e i 300mila euro – per ogni antenna che fa parte di un array interferometrico», prosegue Nanni. «Poca roba per noi che abbiamo 3 antenne, ma un dramma per Ska, dove le antenne sono centinaia o migliaia. Inoltre, un orologio atomico è un oggetto molto delicato, richiede stabilità meccanica e termica, e molto tempo per portarlo in una condizione di sufficiente stabilità».
Una connessione in fibra ottica percorsa da una frequenza temporale ultra-precisa diventa essa stessa un esperimento di laboratorio. Come nel caso del link tra Torino e il Laboratorio sotterraneo francese di Modane, nel tunnel del Frejus sotto al Monte Bianco, in cui si possono osservare gli effetti della relatività generale che creano una differenza di frequenza tra orologi posti a potenziali di gravità diversa, un campo di ricerca che viene definito geodesia relativistica. La geodesia, peraltro, è un campo in cui converge l’interesse anche dei radioastronomi.
«Con precisioni molto alte nei campionamenti temporali si possono studiare fenomeni che perturbano “il tempo”», aggiunge Nanni. «Dall’Inrim ci dicono che con le fibre sotto al Monte Bianco possono misurare il quantitativo di neve dei ghiacciai (masse che, con le loro variazioni gravitazionali, cambiano la velocità della luce nella fibra ottica) e, in certi casi, il traffico presente sulle strade lungo il percorso della fibra. Quest’anno l’istituto di metrologia vuole estendere le fibre da Torino fino a Matera, dove è presente il Centro di geodesia spaziale dell’Agenzia spaziale italiana che si avvale di antenne radioastronomiche pilotate da orologi atomici, per sperimentare anche con quella antenna, per poi sperimentare anche il sistema degli australiani che non richiede fibre dedicate».
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo pubblicato su Optica “Long-distance telecom-fiber transfer of a radio-frequency reference for radio astronomy”, di Y. He, K. G. H. Baldwin, B. J. Orr, R. B. Warrington, M. J. Wouters, A. N. Luiten, P. Mirtschin, T. Tzioumis, C. Phillips, J. Stevens, B. Lennon, S. Munting, G. Aben, T. Newlands, T. Rayner