¿Puedes usar las observaciones de púlsares para determinar el tiempo absoluto? ¿Cuánto tiempo puedes estar sin nada más?

En esta antigua respuesta de Steve Allen , cita este agradable pasaje

Imagínese por un momento lo que sucedería si, solo como una broma, alguien encontrara una manera de detener todos los relojes atómicos, solo por un corto tiempo. ¡Esto causaría una perturbación tan tremenda en los asuntos mundiales que la pérdida de TAI sería un asunto totalmente insignificante! Además, cuando se trataba de configurarlo nuevamente, la fase de TAI podría recuperarse en unas pocas décimas de microsegundo mediante observaciones de púlsares que giran rápidamente...

-- Claude Audoin y Bernard Guinot, pág. 252, sec. 7.3.1 de "La medida del tiempo: tiempo, frecuencia y reloj atómico", Cambridge University Press, 2001

Me gustaría explorar este escenario con un poco más de detalle. Específicamente, supongamos que nuestro bromista (llamémoslo Richard para ser más precisos) logró detener todos los estándares de tiempo de ejecución durante un tiempo bien definido. τ y luego ponerlos en marcha de nuevo. Richard luego nos desafía a determinar τ . Para simplificar las cosas, Richard ha accedido a proporcionar, si se lo pedimos amablemente, un límite superior T en | τ | - pero, de nuevo, nos desafía a aceptar el límite más grande y suelto que podamos.

Como señalan Audoin y Guinot, puede usar las observaciones de púlsares para restringir τ . Suponga que puede observar un púlsar que oscila regularmente en un período T 1 de 10s Entonces, si sabes que | τ | < T 1 / 2 , puede hacer coincidir la fase de las oscilaciones observadas con el registro histórico, puede determinar τ con la misma precisión con la que sabes T 1 .

Si τ no es mas pequeño que T 1 , por supuesto, esto no funcionará, ya que no sabrá cuántos períodos habrán transcurrido. Sin embargo, si tiene más de un púlsar, puede extender significativamente el rango de τ que serías capaz de precisar. De hecho, si pulsar 2 tiene un período T 2 de 11 s, luego entra y sale de fase con pulsar 1 durante un período de 110 s, por lo que podemos recuperar τ si te lo garantizamos | τ | < 55s. De manera similar, si agrega un tercer púlsar con un período de 13 s, el rango sube a (13x11x10)/2 s = 715 s, mucho más que los períodos individuales de los tres púlsares.

En la vida real, por supuesto, conocemos muchos púlsares, por lo que podría hacer bastante con sus señales para ampliar el rango de τ s de los que podemos recuperarnos. (Por otro lado, oscilan muy rápidamente, por lo que incluso si el salto es de miles de períodos de duración, solo está en el régimen de unos pocos segundos. Pero entonces sus períodos pueden conocerse con gran precisión, lo que alarga el período de colectiva). oscilaciones entre dos o más púlsares, es decir, alarga su LCM efectivo una vez que se tienen en cuenta las incertidumbres en los períodos). Además, como señala Chris White , los púlsares pueden tener fallas, lo que plantea un nuevo problema propio. (Pero luego, necesitaría fallas en una fracción sustancial de púlsares conocidos para comprometer realmente su capacidad de recuperación). Y presumiblemente hay más cosas que no he considerado (¿cuáles son?).

Entonces, mi pregunta es: utilizando los datos actualmente conocidos sobre los púlsares observados y sus períodos, ¿cuál es el más largo? τ de la que podríamos recuperarnos? ¿Es lo suficientemente largo como para que podamos usar fuentes de período más largo, como el período de decaimiento de los binarios de neutrones , para obtener más correcciones en τ ? ¿Con qué tipo de precisión podríamos recuperar τ ?

Si esto ya se ha explorado en la literatura, me complace tomar una referencia, pero de lo contrario, estoy buscando tratamientos detallados y profundos que me enseñen mucha física. Agregaré algunas zanahorias reps para condimentar las cosas en unos días.

Además, para ser claros, las respuestas no necesitan usar exclusivamente púlsares. Si hay algún otro método que pueda restringir τ , usando otros tipos de fuentes astronómicas o usando fenómenos y experimentos terrestres, ¡entonces estaré feliz de aprender sobre eso!

¿Los posibles observadores experimentales en la Tierra tienen la oportunidad de configurar su equipo antes de que se apague el reloj? y hay algún margen de error en absoluto. es decir, cómo se comparan los tiempos después de la interrupción, debe haber cierto margen de maniobra, incluso con relojes atómicos. mi descargo de responsabilidad habitual, ignore esto si estoy fuera de mi alcance

Respuestas (1)

Una parte de la física que te has perdido es que la mayoría de los púlsares giran hacia abajo debido a la emisión de radiación de dipolo magnético. Por ejemplo, el púlsar del cangrejo tiene un período de 33,5028 (más algunos higos sig más) milisegundos, pero se ralentiza 38 nanosegundos por día. Además, el tamaño de varias derivadas de orden creciente más se conoce con precisión.

Entonces, en principio, solo medir el período del púlsar del cangrejo te da una estimación de τ . Una vez que ubique la incertidumbre en dp/dt, informaré sobre qué τ eso te limitaría a.

Por supuesto, hay fallas en el tiempo de algunos púlsares (incluido el Cangrejo), lo que conduciría a errores si el púlsar no se monitoreara continuamente. Así que necesitas observar múltiples púlsares. Sin embargo, esto se hace ahora mismo. Actualmente hay "relojes pulsar" en funcionamiento que marcan el tiempo con los mejores relojes atómicos. El International Pulsar Timing Array utiliza observaciones de seguimiento de unos 30 púlsares para buscar irregularidades de tiempo causadas por ondas gravitacionales. Así que creo que incluso si detuvieras todas las observaciones de púlsares por un tiempo τ , son lo suficientemente predecibles (en escalas de tiempo humanas) para recuperar la hora con mayor precisión que un reloj atómico; de hecho, se ha afirmado que estos conjuntos de púlsares revelan problemas en el marco de tiempo establecido por los relojes atómicos y que solo la sincronización del conjunto de púlsares debe usarse para la detección de GW.

EDITAR: Jodrell Bank actualiza mensualmente las efemérides del púlsar del cangrejo. por ejemplo, para febrero de 2015, la frecuencia del pulso es v 0 = 29.6684986853 ( 3 ) s 1 (el número entre paréntesis es la incertidumbre en la última sig. fig. La tasa de cambio de frecuencia es v ˙ = 369636.52 ( 0.35 ) × 10 15 s 2 .

Así que digamos que los relojes atómicos se detuvieron en t = 0 por estas efemérides y quédate a ratos τ . La frecuencia del púlsar del cangrejo será v = v 0 + τ v ˙ y la fase es

ϕ = 2 π 0 τ ( v 0 + v ˙ t )   d t

Si τ < ( Δ v 0 ) / ( Δ v ˙ ) ( 10 días para el Cangrejo) entonces la incertidumbre en el primer término en el RHS domina el término domina

Δ τ τ Δ v 0 v 0 ,
cual es Δ τ 10 12 τ para el púlsar Cangrejo. Por lo tanto, con una precisión de un microsegundo durante 10 días (suponiendo que la fase se pueda determinar con precisión). El problema es que, como señala en su pregunta, si pierde el control, no sabe cuántos ciclos han ocurrido, por lo que el tiempo se conoce en un microsegundo, pero es ambiguo por múltiplos del período de rotación de 33 mili- ¡segundos!

Solo medir la frecuencia del púlsar podría ser útil en este sentido y actualmente estoy luchando para resolverlo...

Sí, tendrías una ventana de tamaño τ donde pierdes todas las observaciones de púlsares.