[論文レビュー] A Comparison of Astrophysical and Terrestrial Frequency Standards: Which are the best clocks?

John G. Hartnett, André N. Luiten|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2010

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、高度なノイズ解析手法を用いて、地上の原子時計と比較して天体時計（パルサーおよび白色矮星）の安定性を再評価している。その結果、数百年にわたる時間スケールにおいても、地上の時計が自然の時計をはるかに上回る安定性と正確性を示すことが判明し、広く信じられている「天体的要因が人為的時計と同等である」という主張に疑問を呈している。

ABSTRACT

We have re-analyzed the stability of pulse arrival times from pulsars and white dwarfs using several analysis tools for measuring the noise characteristics of sampled time and frequency data. We show that the best terrestrial artificial clocks substantially exceed the performance of astronomical sources as time-keepers in terms of accuracy (as defined by cesium primary frequency standards) and stability. The superiority in stability is demonstrated over timescales up to 2 years. Beyond 2 years there is a deficiency of data for clock/clock comparisons and both terrestrial and astronomical clocks are equally limited by the quality of the time dissemination systems used to make the comparisons. Nonetheless, we show that detailed accuracy evaluations of modern terrestrial clocks imply that these clocks are likely to have a stability better than any astronomical source up to timescales of at least hundreds of years. This is in conflict with many claims in the literature and so we believe it is crucial to rectify this misunderstanding so that there may be a correct appreciation of the relative merits of natural and artificial clocks. The use of natural clocks as tests of physics under the most extreme conditions is entirely appropriate; however, the contention that these natural clocks, particularly white dwarfs, can compete as timekeepers against devices constructed by mankind is shown to be doubtful.

研究の動機と目的

• パルサーおよび白色矮星といった天体的時計と地上の原子時計との間の安定性および正確性の相対的性能を再評価すること。
• 自然の時計が人為的時計基準と同等に機能すると広く主張されている文献における誤解を解消すること。
• 長期間の時計比較に際して、時刻配信システムが引き起こす制限要因を評価すること。
• 詳細な正確性評価を用いて、2年を超える期間における現代の地上時計の安定性を定量すること。

提案手法

• サンプル化された時刻・周波数データのノイズ特性を分析するための既存のツールを用いて、パルサーや白色矮星のパルス到着時刻データを再分析した。
• 2年までの時間スケールで、天体的および地上の周波数基準の安定性を測定するための統計的手法を適用した。
• 長期間の時計比較に及ぼす時刻配信システムの影響を評価し、2年以上の期間ではこれが制限要因であることを特定した。
• 現代のセシウム一次周波数基準の詳細な正確性評価を用いて、長期的な安定性性能を予測した。
• 一貫した指標および分析フレームワークを用いて、地上時計の安定性と天体的源の安定性を比較した。
• これらの発見が、自然の時計を時計としての利用と、基礎物理学の検証ツールとしての利用の両者に与える意味を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2年までの時間スケールで、パルサーや白色矮星の安定性は地上の原子時計と比べてどの程度か？
• RQ2 時刻配信システムは、長期間の時計比較の正確性をどの程度制限するのか？
• RQ3 天体的時計は、実際に人為的時計と同等の時計として機能できるのか？
• RQ4 現在の正確性評価に基づいて、現代の地上時計の長期的安定性はどの程度と予想されるか？
• RQ5 なぜ多くの文献において、自然の時計が人為的時計を上回ると誤って主張されているのか？

主な発見

• 2年までの時間スケールで、地上の原子時計はパルサーや白色矮星よりも優れた安定性を示している。
• 2年以上の期間では、地上時計および天体的時計の両方が、比較に用いられる時刻配信システムの品質によって同程度に制限を受ける。
• 現代の地上時計の正確性評価を詳細に行うと、少なくとも数百年の時間スケールで、あらゆる天体的源の安定性を上回ると予想される。
• 白色矮星やパルサーが人為的時計と同等の時計として機能できるという主張は、根拠がないことが示された。
• 文献には、自然の時計が人為的時計と同等の性能を発揮すると誤って信じられていることが顕著に存在し、本研究はこれを是正することを目的としている。
• 自然の時計は極端な条件下での物理学の検証には価値があるが、時計としての代替手段としては現実的ではない。