Co by się stało, gdyby jakaś hipotetyczna awaria zatrzymała wszystkie zegary świata? Jak ludzkość  by sobie poradziła? Polacy z Pomorza mają pomysł, jak zabezpieczyć się przed następstwami takiej awarii. Warto sobie to uświadomić, gdy w Sylwestra będziemy odliczali czas, czekając na nowy rok…

Fot. Kazimierz Netka.

Polski, gdański zegar pulsarowy – urządzenie, które  jest niezależne od tego, co dzieje się na Ziemi. To najbardziej naturalny i najdokładniejszy zegar świata…

Pulsar Time of Gdańsk – nowa technologia czerpania korzyści z Wszechświata. Niestety, jest to superwynalazek, który znika…

W poniedziałek, 31 grudnia 2018 roku, krótko przed północą, zaczniemy odliczać minuty i sekundy do nowego roku. Tak będzie się działo na niemal całym świecie, choć nie w tym samym momencie, ze względu na różne strefy czasowe.

Skąd zegary biorą czas, który pokazują? Oczywiście, sygnał jest dystrybuowany centralnie i tak też jest regulowany, w sposób sztuczny. A czy owe sygnały czasu moglibyśmy czerpać z natury? Oczywiście! To z Polski mógłby popłynąć najdokładniejszy sygnał czasu dla całego świata 1 stycznia 2019 roku. Polacy, mieszkańcy Pomorza, ponad siedem lat temu, zbudowali unikatowe urządzenie: zegar pulsarowy. Niestety, brakuje pieniędzy na badania nad wykorzystaniem tego unikatowego prototypu.

Fot. Kazimierz Netka

Gdański zegar pulsarowy znajduje się w Kościele pod wezwaniem Św. Katarzyny, w Muzeum Nauki Gdańskiej. Jest kolejnym dziełem naukowym, które Gdańsk w swych dziejach daje światu. Spośród innych wielkich dokonań wynalazców rodem z tego miasta, można wskazać na przykład urządzenie Daniela Gabriela Fahrenheita – termometr, którego skala (Fahrenheita) pomiaru temperatury jest do dzisiaj w świecie stosowana m.in. w USA. Drugi twórca to Jan Heweliusz, światowej sławy astronom, który na nieboskłon przeniósł wiele historii ziemskiej, nazywając gwiazdozbiory, sporządzając naukową dokumentację. Teraz znowu Polacy, Pomorzanie – twórcy zegara pulsarowego – zapisują się w dziejach światowej nauki.

Fot. Kazimierz Netka

Oto ów zespół badawczy – autorzy prototypu zegara pulsarowego stworzonego w 2011 roku:

• dr inż. Grzegorz Szychliński, w 2011 roku zastępca dyrektora ds. ochrony dziedzictwa Kulturowego Muzeum Historycznego Miasta Gdańska (teraz z nową nazwą: Muzeum Gdańska), kustosz Oddziału Zegarów Wieżowych – pomysłodawca zegara pulsarowego;

• mgr inż. Dariusz Samek, inżynier elektronik z firmy EKO Elektronik, specjalista technik antenowych i aparatury elektronicznej;

• mgr inż. Mirosław Owczynnik, inżynier elektronik z firmy EKO Elektronik, specjalista w zakresie aparatury elektronicznej

• mgr Eugeniusz Pazderski, astronom, specjalista w dziedzinie aparatury radioastronomicznej z Centrum Astronomii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.

Oczywiście, nie udałoby się tego wszystkiego dokonać bez poparcia, jakiego udzielał karmelitanin, ojciec Tadeusz Popiela, ówczesny rektor Kościoła pod wezwaniem Świętej Katarzyny w Gdańsku, obecnie prowincjał zakonu.

Na zdjęciu: Uczestnicy oficjalnej inauguracji funkcjonowania zegara pulsarowego w Gdańsku – w listopadzie 2011 roku. Fot. Kazimierz Netka

O szczegółach powstawania zegara pulsarowego i planach jego twórców, przeczytać można w specjalnej broszurze, którą otrzymaliśmy od budowniczych prototypu tego zegara. Oto, co napisano we wspomnianej broszurze:

Fot. Kazimierz Netka

Co zbudowaliśmy

Prototyp zegara pulsarowego działającego w oparciu o impulsy radiowe odbierane z pulsarów. Jest to urządzenie rozpoczynające tworzenie pulsarowej skali czasu (zewnętrznej w stosunku do planety Ziemi) o dokładności przewyższającej wszystkie inne skale czasowe stosowane do tej pory.

Planujemy uzyskać poprzez obserwacje wielu pulsarów, precyzję długookresową 10-18 na okres kilkudziesięciu lat.

Instrument umożliwi nam prowadzenie dalszych prac nad wykorzystaniem pulsarów do celów GPS, bez zewnętrznej bazy czasu i niezależnej od systemu satelitów.

Pomiar czasu

Od najdawniejszych czasów zjawiska astronomiczne nadawały rytm życiu biologicznemu na naszej planecie. Kiedyś, w głębokiej starożytności rozpoczęliśmy rachubę czasu zegarami czerpiącymi swe wskazania z kosmosu – z położenia Słońca na niebie. Naturalna okresowość tych zjawisk stała się miarą tempa upływającego czasu, a liczba tych zjawisk definiowała podział czasu.

Wzorce atomowe powalają dokonywać pomiarów czasu z precyzją rzędu 10-15 s/s. Pomiary czasu zjawisk w skali subsekundowej odnoszą się do podstawowych oscylacji wzorcowych atomów i tu osiągnęliśmy wysoką precyzję. Jednak nadal pozostaje problemem długoczasowa stabilność chodu współcześnie używanych zegarów. Wszystkie one wymagają wprowadzenia poprawek na zmianę temperatury, ciśnienia, wilgotności, ciśnienia lokalnego pola magnetycznego, a także pola grawitacyjnego.

Wydawało się, że potrzeba precyzyjnego wyznaczania czasu wybiega daleko poza stabilność podstawowych rytmów przyrody.

Nic bardziej mylnego. Odkrycie radiowych pulsarów oraz późniejsze studia tych obiektów radykalnie zmieniły sytuację. Przy konstruowaniu najlepszych zegarów ponownie wracamy do zjawisk (rytmów) astronomicznych.

Pulsary to osobliwe gwiazdy karłowate zwane gwiazdami neutronowymi, które powstały w wyniku wybuchu supernowych. Mają gęstość rzędu miliarda ton na cm2 przy średnicy ponad 10 km i masie większej niż masa Słońca.

Pierwszy pulsar został odkryty przypadkowo w 1967 roku podczas obserwacji radiowych. Badacze byli zaskoczeni niespotykaną dotychczas regularnością i stabilnością dochodzących do Ziemi sygnałów. Przez pewien czas przyjmowano, że obserwowany sygnał został wysłany przez pozaziemską cywilizację i utajniono obserwacje.

Pulsary mają najwyższą znaną dziś długoczasową stabilność okresów rotacji. Niektóre z nich wyższą niż najlepsze używane obecnie zegary atomowe. Zatem są one znakomitymi naturalnymi źródłami impulsów czasowych pozwalających korygować długoczasowy chód współcześnie używanych wzorców czasu.

Pulsarowa skala czasu oparta na permanentnej obserwacji wielu pulsarów oferuje dokładność i stabilność pomiarów w czasie rzeczywistym o nieosiągalnych do tej pory parametrach.

Skale czasu

Obecnie czas na Ziemi wyznaczają zegary atomowe – Temps Atomique International (TAI) – i jest to skala czasu niepowiązana bezpośrednio z żadnym zjawiskiem fizycznym, a tylko rachunkowo uśrednioną wielkością z sieci wytypowanych zegarów atomowych. Aby się nie oderwać zanadto od matki natury – korygujemy czas TAI do stanu nieba, a gdy czas efemeryd oddali się od TAI o 1 sekundę, arbitralnie przenumerowujemy czas TAI o 1 sekundę. Tak powstaje skala czasu UTC (Universal Time Coordinated) – obowiązujący nas czas na świecie.

Cóż z tego! Już wiadomo, że jednostka TAI jest permanentnie dłuższa od definicyjnej sekundy SI z poziomu morza. Co więcej, niedawno specjaliści od czasu i teorii względności doszli do wniosku, że sekunda jak i inne jednostki SI są lokalne na orbicie Ziemi i różnią się od tych w środku Układu Słonecznego – najodpowiedniejszego wzorca dla astronomów i techniki kosmicznej w przypadku wysyłania aparatów daleko poza ziemska orbitę.

Zegar pulsarowy

Fot. Kazimierz Netka

Kilka ośrodków naukowych na świecie pracuje nad wykorzystaniem pulsarów do synchronizacji zegara atomowego, ale prace te mają charakter laboratoryjny, bez aplikacji do zegara pulsarowego, którego chód byłby na bieżąco synchronizowany poprzez odbierane w czasie rzeczywistym sygnały pulsarów.

Fot. Kazimierz Netka

Na początku lat 2000, zrodził się pomysł zbudowania zegara wykorzystującego jako podstawę czasu gwiazdę neutronową (pulsar). W 2009 roku idea ta przybrała realistyczną formę – inwestorem zostało Muzeum Historyczne Miasta Gdańska, które kultywuje pamięć wielkiego gdańskiego astronoma Jana Heweliusza (1611 – 1687), a zbudowanie pierwszego na świecie zegara pulsarowego uznało za doskonały sposób upamiętnienia tego uczonego w roku 4000. rocznicy jego urodzin. Muzeum zaprosiło do współpracy dwóch finansowych partnerów: Miasto Gdańsk i Pomorską Specjalną Strefę Ekonomiczną.

Powołano zespół badawczy, którego trzon stanowią: Grzegorz Szychliński z MHMG, Mirosław Owczynnik i Dariusz Samek – inżynierowie elektronicy z gdańskiej firmy EKO Elektronik oraz Eugeniusz Pazderski z Centrum Astronomicznego UMK w Toruniu – jeden z najlepszych specjalistów w dziedzinie aparatury radioastronomicznej w kraju.

Fot. Kazimierz Netka

Celem była budowa urządzenia tworzącego Pulsarową Skalę Czasu, najbardziej stabilną z dotychczas znanych skal czasu. Budowany w Gdańsku zegar pulsarowy ma stanowić platformę testową, której celem jest udowodnienie słuszności samej idei oraz doprowadzenie proponowanej technologii do perfekcji.

Urzekła nas z jednej strony niedostępna do tej pory dokładność i stabilność takiego zegara w długich okresach czasu, uniwersalność takiego wzorca (gdyby jakaś hipotetyczna awaria zatrzymała wszystkie zegary świata, to z pulsarowej skali czasu można by rachubę czasu odtworzyć), a z drugiej strony niewątpliwie oczarowała nas pewna metafizyczność urządzenia, które rachubę czasu – główne narzędzie porządkujące życie ludzi na Ziemi – prowadzi według sygnałów otrzymywanych z głębi Galaktyki. Jesteśmy przecież dziećmi Kosmosu!

Zasada działania zegara pulsarowego

W gdańskim zegarze pulsarowym sygnały od wytypowanych pulsarów są odbierane przez 16 anten. Wszystkie anteny są ustawione w macierz 4×4 zwaną interferometrem. Każda z anten widzi prawie całe niebo nad nami.

Interferometr odbiera fale radiowe z ograniczonego obszaru na niebie (wiązka). Wraz z przesuwaniem się pulsara na niebie, komputer przesuwa wiązkę, śledząc ruch gwiazdy.

Sygnał z każdej polaryzacji anteny jest wzmacniany, filtrowany i przetwarzany do częstotliwości podstawowej (0-64MHz), a następnie poddany próbkowaniu w przetworniku ADC. Przetwarzanie cyfrowe odbywa się w układach FPGA.

Podczas obserwacji komputer oblicza chwilowe okresy obserwowanego pulsara, zmieniające się wskutek bardzo złożonego ruchu obserwatora. Po uzyskaniu pulsu zintegrowanego, komputer oblicza obserwowany czas dotarcia pulsu pulsara do barycentrum Układu Słonecznego. Dane z kilku pulsarów program filtrujący interpretuje i zmienia częstotliwość wzorca atomowego. Dodatkowy algorytm w długim czasie uściśla wyniki pomiarów. W efekcie, po pewnej liczbie obserwacji możemy mówić, że urządzenie tworzy pulsarową skalę czasu, najbardziej stabilną z dotychczas znanych skal czasu.” – napisali twórcy zegara w specjalnym folderze pt. „Zegar Pulsarowy”.

Jaka jest obecnie sytuacja z zegarem pulsarowym? Brakuje pieniędzy na dalsze badania. Szukamy możliwości wsparcia twórców tego unikatowego polskiego prototypu. To bowiem światowy unikat i wielu naukowców z innych krajów bardzo się polskim zegarem pulsarowym interesuje. Dobrze by było, gdybyśmy mogli ten czas eksportować, np. pod nazwą: Pulsar Time of Gdańsk – Gdański Czas Pulsarowy. Byłaby to wspaniała promocja polskich naukowców, polskiej nauki, astronomii, wiedzy. Niewykluczone, że powstała w 2014 roku Polska Agencja Kosmiczna, uwzględni gdański zegar pulsarowy w swym programie działania.

Kazimierz Netka

Czytaj również na portalu: Pulsarowy.pl

 

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany.