天文學家如何利用光纖網路傾聽深空？

【博科園-科學科普（如有疑問及相關問題請評論區留言，「博科園」會挑選問題給予回復解答）】研究人員首次證明在標準光纖通信網路上，穩定的頻率參考可以可靠地傳輸超過300公里，並用於同步兩個射電望遠鏡。穩定的頻率參考用來校準製造超精密測量的時鐘和儀器，通常只能在使用昂貴原子鐘的設備上使用。這項新技術可以讓科學家在任何地方通過接入電信網路來獲取頻率標準。通過電信網路發送穩定頻率參考的能力對於無線電望遠鏡陣列(如平方公里陣列)特別有用，這是一項國際努力，利用澳大利亞和南非的陣列來建造世界上最大的射電望遠鏡。當完成時SKA將探測到來自深空的微弱無線電波，其靈敏度是哈勃望遠鏡的50倍。獨立的射電望遠鏡將被連接起來創造一個大約100萬平方米的集總區。

在一個陣列中連接射電望遠鏡需要每個望遠鏡都有一個原子鐘來記錄從空間物體中探測到信號的精確時間。將所有的望遠鏡聚焦在同一個物體上，然後計算出信號到達每個望遠鏡的時間的細微差別，讓研究人員能夠結合所有的觀測結果，確定物體的位置和其他特徵。穩定的傳輸參考可以用來校準每個望遠鏡的相對時間，從而消除無線電望遠鏡陣列中多個原子鐘的需要。

研究人員使用155公里長的光纖通信鏈路發送了兩個射電望遠鏡之間的參考信號。新技術被動地補償了環境因素如溫度變化或振動所引入的網路信號波動。圖片版權：D. Smyth, CSIRO

在Optica中來自澳大利亞機構聯盟的研究人員報告了通過光纖鏈路成功地傳輸兩個射電望遠鏡之間的穩定頻率參考，並證明該技術的性能優於在每個望遠鏡上使用原子鐘。該聯盟包括澳大利亞的學術和研究網路(AARNet)、澳大利亞國立大學、聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)、國家測量學院、麥考瑞大學和阿德萊德大學。研究結果表明該技術能夠對溫度變化或振動等環境因素引入的光纖網路信號波動進行補償。該演示甚至通過一個傳輸實時通信流量的網路進行。

使用實時網路流量進行測試

澳大利亞國立大學研究小組成員肯尼斯·鮑德溫說：通過在光纖上運行實驗發現傳輸穩定的頻率標準不會影響其他頻道的數據或電話，這對於獲得擁有這些光纖網路的電信公司的合作是必要的。重要的是新技術不需要對光纖網路的其他部分進行任何實質性的改變，並且易於實現。為了在傳輸過程中保持頻率穩定，研究人員將信號通過網路發送到目的地然後反射回來。返回的信號用於確定是否發生了任何更改。在每次往返之後，任何傳輸的頻移都被被動地減去，以精確補償測量的變化。

對於每100公里的光纖，往返行程大約需要1毫秒。即使補償過程發生得非常快，接收端的時間也會在往返過程中漂移。為了解決這個問題，在遠程位置上的石英振蕩器使往返行程之間的時間保持穩定。石英振蕩器的頻率最終也會漂移，所以我們獨特的過程將局部穩定與短時間長度的石英振蕩器結合在一起，與傳輸的穩定頻率參考技術提供的比往返時間穩定時間更長。這種傳輸頻率參考的高度穩定的方法允許一個原子鐘，它的成本大約是20萬美元，而這個系統只需要花費幾萬美元。

展示長距離傳輸

研究人員以一種原子鐘的形式開始，這種原子鐘被稱為「氫微波激射器」，位於CSIRO澳大利亞望遠鏡緊湊陣列(ATCA)上。把無線電頻率參考信號從微波激射器上印到激光束上，然後再通過155公里的AARNet光纖和幾個放大級到另一個射電望遠鏡，然後再返回。一旦補償過程開始，這個引用就會被連接的另一端的無線電望遠鏡接收。研究人員使用穩定的頻率參考來校準兩架望遠鏡，這些望遠鏡被用來在太空中檢查同一物體。發現比起穩定的頻率信號來限制望遠鏡的性能，兩個位置之間的大氣差異是限制因素。為了消除大氣干擾，更好地理解新方法如何改進望遠鏡的性能，研究人員在ATCA上只使用了一個望遠鏡天線，安裝了兩個獨立的接收器來測量。這種「分離天線」方法允許一個接收機通過氫微波激射器穩定，與另一接收機穩定使用穩定的頻率參考，在310公里的來回穿越光纖。

實驗表明傳輸頻率的基準非常穩定，比地球的大氣層穩定得多。方法是完全複製一個原子鐘上的穩定頻率信號，至少和兩個原子鐘一樣，這兩個原子鐘之間可能存在細微的差別。研究人員表示這種新方法已經準備好，可以通過射電天文學家來實現，希望避免在望遠鏡陣列中使用多個原子鐘。該方法可以通過使用更多的放大器來提高信號，從而在更長的距離內使用。這也將允許在全國光纖網路上播放穩定的頻率引用，在那裡任何接觸到電信網路的科學家都可以使用它們。

當原子鐘首次被發明時，沒有人認為它們會提供用於GPS導航的計時標準。希望以同樣的方式，方便地獲得與國家計量實驗室中發現的一樣穩定的頻率標準，這將成為許多應用程序的一項技術，需要精確的定時和精確的頻率測量。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Optica

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：美國光學學會

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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