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A High-frequency Geodetic VLBI Experiment for Optical Clock Comparison

यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि मानक उच्च-आवृत्ति भू-गणितीय VLBI अवलोकन इटली और दक्षिण कोरिया के बीच $10^{-15}$ s/s की सटीकता के साथ अंतरमहाद्वीपीय क्लॉक तुलना सफलतापूर्वक कर सकते हैं, जो सैटेलाइट लिंक और ऑप्टिकल क्लॉक विधियों के समकक्ष है और ब्रॉडबैंड रिसीवर तथा उन्नत चरण हस्तांतरण तकनीकों के माध्यम से और अधिक सुधार के लिए एक मार्ग प्रदान करता है।

मूल लेखक: Monia Negusini, Myoung-Sun Heo, Cecilia Clivati, Shuangjing Xu, Roberto Ricci, Taehyun Jung, Buseung Cho, Matteo Stagni, Claudio Bortolotti, Giuseppe Maccaferri, Federico Perini, Mauro Roma, Do-Young

प्रकाशित 2026-03-25

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Monia Negusini, Myoung-Sun Heo, Cecilia Clivati, Shuangjing Xu, Roberto Ricci, Taehyun Jung, Buseung Cho, Matteo Stagni, Claudio Bortolotti, Giuseppe Maccaferri, Federico Perini, Mauro Roma, Do-Young Byun, Do-Heung Je, Marco Pizzocaro, Davide Calonico, Elena Cantoni, Giancarlo Cerretto, Stefano Condio, Giovanni A. Costanzo, Simone Donadello, Irene Goti, Michele Gozzelino, Alberto Mura, Filippo Levi, Matias Risaro, Huidong Kim, Won-Kyu Lee, Chang Yong Park, Dai-Hyuk Yu, Young Kyu Lee, Joon Hyo Rhee, Chanjin Park, Minseong Lee, Hyo Ryoung Kim, Sung-Moon Yoo, Jungho Cho, Jongsoo Kim, Sang-Oh Yi, Ha Su Yoon, Pablo de Vicente, Javier González, Cristina García Miró

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आपके पास दो अविश्वसनीय रूप से सटीक घड़ियाँ हैं, एक इटली में और एक दक्षिण कोरिया में। आप यह जानना चाहते हैं कि क्या वे बिल्कुल एक ही गति से टिक-टिक कर रही हैं। आमतौर पर, उनकी तुलना करने के लिए, आपको उपग्रह के माध्यम से एक संकेत भेजना होगा (जैसे समुद्र पार फोन कॉल) या एक घड़ी को भौतिक रूप से दूसरी तक पहुँचाना होगा। लेकिन उपग्रह पूर्ण नहीं होते हैं, और घड़ी को ले जाना महंगा और धीमा है।

यह शोध पत्र एक चतुर प्रयोग का वर्णन करता है जहाँ वैज्ञानिकों ने उन्हें हिलाए बिना इन घड़ियों की तुलना करने के लिए रेडियो टेलीस्कोप का उपयोग किया। उन्होंने टेलीस्कोपों को ब्रह्मांड को सुनने वाले अत्यंत संवेदनशील कानों की तरह इस्तेमाल किया ताकि यह देख सकें कि जो "समय" उन्हें सुनाई दे रहा है, वह मेल खाता है या नहीं।

यहाँ बताया गया है कि उन्होंने इसे कैसे किया, जिसे सरल अवधारणाओं में विभाजित किया गया है:

1. पात्रों का परिचय

घड़ियाँ (हाइड्रोजन मेसर्स): ये मेडिसिना (इटली) और सेजोंग (कोरिया) के रेडियो टेलीस्कोपों की "घड़ियाँ" हैं। ये बहुत अच्छी हैं, लेकिन पूर्ण नहीं हैं।
स्वर्ण मानक (ऑप्टिकल क्लॉक्स): नेशनल मेट्रोलॉजी इंस्टिट्यूट्स की प्रयोगशालाओं की गहराई में, वैज्ञानिकों के पास "सुपर-घड़ियाँ" हैं जो लेजर और परमाणुओं से बनी होती हैं (ऑप्टिकल क्लॉक्स)। ये पृथ्वी के सबसे सटीक समय मापने वाले यंत्र हैं।
संदेशवाहक (फाइबर ऑप्टिक्स): यह सुनिश्चित करने के लिए कि टेलीस्कोपों की घड़ियाँ "स्वर्ण मानक" के करीब हों, वैज्ञानिकों ने प्रयोगशालाओं से टेलीस्कोपों तक फाइबर ऑप्टिक केबल (जैसे सुपर-फास्ट इंटरनेट केबल) बिछाईं। इसने टेलीस्कोपों को सुपर-घड़ियों को "सुनने" में मदद की।
ब्रह्मांड का लाइटहाउस (क्वासर्स): ये दूर स्थित अति-चमकदार आकाशगंगाएँ हैं जो अंतरिक्ष में स्थिर लाइटहाउस की तरह कार्य करती हैं। हमारे दृष्टिकोण से वे कभी नहीं हिलतीं।

2. प्रयोग: ब्रह्मांड को सुनना

वैज्ञानिकों ने एक "लिसनिंग पार्टी" आयोजित की जो 24 घंटे तक चली। उन्होंने छह रेडियो टेलीस्कोपों (इटली, स्पेन और कोरिया में) को आकाश में एक ही लाइटहाउस (क्वासर) की ओर निर्देशित किया।

लक्ष्य: जब किसी क्वसार से आने वाला रेडियो सिग्नल इतालवी टेलीस्कोप से टकराता है, तो वह कोरियाई टेलीस्कोप से टकराने से एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से पहले या बाद में पहुँचता है। इस अंतर को टाइम डिले (समय विलंब) कहा जाता है।
चाल: इस विलंब को अत्यधिक सटीकता के साथ मापकर, वैज्ञानिक यह गणना कर सकते थे कि इतालवी घड़ी कोरियाई घड़ी की तुलना में कितनी तेजी से टिक-टिक कर रही थी। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे दो लोग एक गाने की ताल पर ताली बजा रहे हों; यदि एक व्यक्ति थोड़ा भी ताल से बाहर है, तो आप प्रतिध्वनि (इको) को सुनकर ठीक से बता सकते हैं कि वह कितना अलग है।

3. "थ्री-वे" जाँच

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनका रेडियो टेलीस्कोप तरीका काम कर रहा है, उन्होंने इसकी दो अन्य तरीकों के विरुद्ध तुलना की:

सैटेलाइट विधि: उन्होंने घड़ियों की तुलना करने के लिए जीपीएस उपग्रहों का उपयोग किया (पुराना, मानक तरीका)।
ऑप्टिकल क्लॉक विधि: उन्होंने प्रयोगशालाओं में मौजूद "स्वर्ण मानक" सुपर-घड़ियों के साथ सीधे टेलीस्कोप की घड़ियों की तुलना की (फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से)।

परिणाम: तीनों विधियों में सहमति थी! रेडियो टेलीस्कोप विधि एक क्वाड्रिलियन के एक हिस्से (यानी 1 के बाद 15 शून्य) के भीतर सटीक थी। यह सिद्ध करता है कि रेडियो टेलीस्कोप का उपयोग उपग्रहों की तरह ही, बल्कि भविष्य में उनसे भी बेहतर तरीके से महाद्वीपों के बीच समय की तुलना करने के लिए किया जा सकता है।

4. यह क्यों महत्वपूर्ण है (इसका महत्व क्या है?)

सेकंड की पुनर्व्याख्या: वैज्ञानिक "सेकंड" को परिभाषित करने के तरीके को बदलने के बारे के बारे में सोच रहे हैं। वर्तमान मानक (सीज़ियम परमाणु के कंपन) के बजाय, वे इन सुपर-सटीक ऑप्टिकल घड़ियों की ओर स्विच कर सकते हैं। ऐसा करने के लिए, उन्हें यह साबित करने की आवश्यकता है कि ये सुपर-घड़ियाँ दुनिया में कहीं भी हों, एक दूसरे से सहमत हैं।
सैटेलाइट की समस्या: उपग्रह अच्छे हैं, लेकिन उनमें एक "नॉइज़ फ्लोर" (शोर का स्तर) होता है जो उनकी सटीकता को सीमित करता है। रेडियो टेलीस्कोप, यदि अपग्रेड किए जाएं, तो और भी अधिक सटीक हो सकते हैं।
भविset अपग्रेड: अभी, इस प्रयोग में "के-बैंड" रेडियो तरंगों का उपयोग किया गया था (जैसे एक मानक रेडियो स्टेशन)। शोध पत्र सुझाव देता है कि भविष्य में, वे टेलीस्कोपों को बहुत उच्च आवृत्तियों (जैसे एक उच्च-पिच वाली सीटी) को सुनने के लिए अपग्रेड करेंगे। यह मानक-डेफिनिशन टीवी से 8K अल्ट्रा एचडी में अपग्रेड करने जैसा है। यह वायुमंडलीय "स्टैटिक" (जैसे बारिश या हवा) को काट देगा और समय की तुलना को और भी अधिक स्पष्ट बना देगा।

उपमा: ऑर्केस्ट्रा

सोचिए कि दो रेडियो टेलीस्कोप एक ऑर्केस्ट्रा के संगीतकार हैं, एक इटली में और एक कोरिया में। वे एक ही नोट (समय संकेत) को बिल्कुल एक ही क्षण में बजाने की कोशिश कर रहे हैं।

क्वासर (Quasar) दूर खड़ा एक कंडक्टर (संचालक) है।
फाइबर ऑप्टिक्स वे संगीतकार हैं जो यह सुनिश्चित करने के लिए कंडक्टर की छड़ी (बैटन) के साथ अपने संगीत के नोट्स की जाँच कर रहे हैं कि वे भटक न जाएँ।
सैटेलेट कंडक्टर का एक रेडियो प्रसारण है, जिसमें कभी-कभी स्टेटिक (शोर) आता है।
VLBI (रेडियो टेलीस्कोप) विधि संगीतकारों द्वारा समुद्र पार हवा में कंडक्टर की छड़ी के टकराने की आवाज को सुनने जैसा है। उस ध्वनि के सूक्ष्म विलंब का विश्लेषण करके, वे बता सकते हैं कि क्या वे पूरी तरह से तालमेल में हैं।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र एक "पायलट टेस्ट" है। इसने दिखाया कि महासागरों के पार अत्यंत सटीक घड़ियों की तुलना करने के लिए मानक रेडियो टेलीस्कोप का उपयोग करना काम करता है। यह एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' है। अब, वैज्ञानिक अपने उपकरणों को "हाई-डेफिनिशन" रेडियो तरंगों में अपग्रेड करने की योजना बना रहे हैं ताकि यह विधि वैश्विक समयकीपिंग का नया स्वर्ण मानक बन सके।

संक्षेप में: उन्होंने यह जांचने के लिए सितारों का उपयोग किया कि दुनिया के विपरीत छोरों पर स्थित दो घड़ियाँ तालमेल में टिक-टिक कर रही हैं या नहीं, और उन्होंने इसे करने का एक नया, अत्यधिक सटीक तरीका खोज निकाला जो उपग्रहों पर निर्भर नहीं है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

परमाणु घड़ियों (atomic clocks) की अंतरमहाद्वीपीय तुलना मौलिक मेट्रोलॉजी के लिए आवश्यक है, विशेष रूप से SI सेकंड के संभावित पुनर्निर्धारण और मौलिक भौतिकी के परीक्षणों के लिए। वर्तमान में, ये तुलनाएं मुख्य रूप से ग्लोबल नेविगेशन सैटेलाइट सिस्टम (GNSS) पर निर्भर करती हैं, जिनमें अक्सर अगली पीढ़ी की ऑप्टिकल घड़ियों (अनिश्चितता स्तर लगभग $10^{-16}$ से $10^{-18}$ ) के लिए आवश्यक सटीकता का अभाव होता है। जबकि फाइबर-ऑप्टिक लिंक बेहतर स्थिरता प्रदान करते हैं, वे क्षेत्रीय दूरियों तक ही सीमित हैं।

जियोडेटिक वेरी लॉन्ग बेसलाइन इंटरफेरोमेट्री (VLBI) का ऐतिहासिक उपयोग पृथ्वी के ओरिएंटेशन और जियोडेसी के लिए किया जाता रहा है, लेकिन इसका पूर्ण उपयोग उच्च-परिशुद्धता घड़ी तुलना के लिए नहीं किया गया है। पुराने S/X-बैंड (2–10 GHz) सिस्टमों का उपयोग करने वाले पिछले प्रयासों ने लगभग $1.5 \times 10^{-15}$ की अनिश्चितता प्राप्त की थी, जो आधुनिक ऑप्टिकल घड़ियों की तुलना के लिए अपर्याप्त है। चुनौती यह निर्धारित करने में है कि क्या मानक, उच्च-आवृत्ति (K-बैंड और उससे ऊपर) जियोडेटिक VLBI अभियान, नियमित उपकरणों और शेड्यूलिंग का उपयोग करके, उपग्रह लिंक के तुलनीय या उससे बेहतर सटीकता के साथ मेट्रोलॉजिकल-ग्रेड घड़ी तुलना प्राप्त कर सकते हैं।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

इस अध्ययन ने मेडिकिना (इटली) और सेजोंग (दक्षिण कोरिया) रेडियो टेलिस्कोपों पर हाइड्रोजन मासर (H-masers) की तुलना करने के लिए एक पायलट प्रयोग आयोजित किया। VLBI परिणामों को मान्य करने के लिए अध्ययन ने एक बहुआयामी दृष्टिकोण का उपयोग किया:

प्रायोगिक सेटअप (Experimental Setup):
- नेटवर्क: छह स्टेशनों वाला एक 24-घंटे का जियोडेटिक VLBI सत्र: मेडिकिना (इटली), येबेस (स्पेन), और चार कोरियाई स्टेशन (सेजोंग, योंसेई, उलसान, तामना)।
- आवृत्ति (Frequency): 512 MHz के कुल बैंडविड्थ (16 चैनल) के साथ K-बैंड अवलोकनों (21–22 GHz) का उपयोग किया गया।
- क्लॉक कैलिब्रेशन: दोनों स्थानों के स्थानीय H-masers को उच्च-परिशुद्धता यिट्रियम (Yb) ऑप्टिकल लैटिस क्लॉक्स (INRIM, इटली में IT-Yb1; KRISS, कोरिया में KRISS-Yb1) के विरुद्ध कैलिब्रेट किया गया था।
- फाइबर वितरण: VLBI सत्र के दौरान H-masers को ऑप्टिकल मानकों के संदर्भ में सुनिश्चित करने के लिए ऑप्टिकल क्लॉक सिग्नल को फेज-स्टेबलाइज्ड फाइबर लिंक (इटली के लिए 535 किमी, कोरिया के लिए 50 किमी) के माध्यम से टेलिस्कोपों तक पहुँचाया गया।
- GNSS सत्यापन: दोनों राष्ट्रीय मेट्रोलॉजी संस्थानों (NMIs) के बीच एक स्वतंत्र समय/आवृत्ति हस्तांतरण संदर्भ प्रदान करने के लिए एक GPS प्रिसाइज पॉइंट पोजिशनिंग (PPP) लिंक बनाए रखा गया था।
डेटा विश्लेषण (Data Analysis):
- कोरिलेशन (Correlation): डेटा को DiFX सॉफ्टवेयर का उपयोग करके कोरिलेट किया गया।
- फ्रिंज फिटिंग (Fringe Fitting): Haystack Observatory के fourfit सिस्टम का उपयोग करके किया गया।
- जियोडेटिक मॉडलिंग: क्लॉक पैरामीटर्स (ऑफसेट, रेट और ड्रिफ्ट) का अनुमान लगाने के लिए दो स्वतंत्र सॉफ्टवेयर पैकेज का उपयोग किया गया:
  1. $\nu$ Solve: मानक जियोडेटिक विश्लेषण (सिंगल-बैंड K-बैंड के लिए कोई आयनमंडल सुधार नहीं)।
  2. VieVS: उन्नत ट्रोपोस्फेरिक मॉडलिंग (VMF3 मैपिंग फंक्शन) और ग्लोबल आयनोस्फेरिक मैप्स (GIMs) का उपयोग करके आयनमंडल सुधार का उपयोग किया गया, भले ही यह सिंगल-बैंड सत्रों में हो।
- मेट्रिक: VLBI ग्रुप डिले रेसिडुअल्स से क्लॉक रेट्स के एक्सट्रपलेशन द्वारा दोनों H-masers के बीच भिन्नात्मक आवृत्ति अंतर ( $y$ ) निकाला गया।

3. प्रमुख योगदान (Key Contributions)

मेट्रोलॉजी के लिए मानक VLBI की व्यवहार्यता: यह पेपर प्रदर्शित करता है कि मौजूदा K-बैंड इंफ्रास्ट्रक्चर और नियमित शेड्यूलिंग का उपयोग करने वाले मानक जियोडेटिक VLBI अभियान, $\sim 10^{-15}$ s/s की सटीकता के साथ अंतरमहाद्वीपीय क्लॉक तुलना कर सकते हैं।
बहु-विधि सत्यापन (Multi-Method Validation): यह एक ही क्लॉक पेयर के लिए तीन स्वतंत्र तरीकों की तुलना करके एक दुर्लभ "क्लोजर" टेस्ट प्रदान करता है:
1. VLBI-व्युत्पन्न आवृत्ति अंतर।
2. ऑप्टिकल क्लॉक तुलना (फाइबर के माध्यम से)।
3. GNSS (GPS) तुलना।
सॉफ्टवेयर तुलना: यह विभिन्न जियोडेटिक विश्लेषण सॉफ्टवेयर ( $\nu$ Solve बनाम VieVS) के बीच निरंतरता और सिंगल-बैंड K-बैंड डेटा के लिए आयनमंडल मॉडलिंग के विशिष्ट प्रभाव को उजागर करता है।
भविष्य के सुधारों के लिए रोडमैप: अध्ययन K, Q, और W बैंड (18–115 GHz) में संचालित होने वाले नए पीढ़ी के कॉम्पैक्ट ट्रिपल-बैंड रिसीवर्स (CTRs) को तैनात करने और फ्रीक्वेंसी फेज ट्रांसफर (FPT) तथा फोटोनिक PCAL सिस्टम को एकीकृत करने के माध्यम से सब-पिकोसेकंड ग्रुप डिले सटीकता की ओर एक स्पष्ट मार्ग रेखांकित करता है।

4. परिणाम (Results)

प्रयोग ने सेजोंग और मेडिकिना H-masers के बीच भिन्नात्मक आवृत्ति अंतर ( $y$ ) के निम्नलिखित परिणाम दिए:

विधि	आवृत्ति अंतर ( $y$ )	अनिश्चितता ( $10^{-15}$ )
VLBI (VieVS)	$-212.5 $\|$ 1.1$
ऑप्टिकल क्लॉक्स	$-213.29 $\|$ 0.14$
GPS (PPP)	$-215.7 $\|$ 2.0$

सहमति (Agreement): VLBI परिणाम ऑप्टिकल क्लॉक परिणाम के साथ $2\sigma$ (अंतर $0.8 \times 10^{-15}$ ) के भीतर सहमत था। VLBI और GPS परिणाम भी अपनी संबंधित अनिश्चितताओं के भीतर सुसंगत थे।
ग्रुप डिले रेसिडुअल्स: प्रयोग ने ग्रुप डिले रेसिडुअल्स का एक वेटेड रूट-मीन-स्क्वायर (WRMS) 25.55 ps ( $\nu$ Solve) और 26.41 ps (VieVS) प्राप्त किया।
क्लोजर टेस्ट: तीनों विधियों के बीच क्लोजर अंतर संयुक्त अनिश्चितताओं के भीतर शून्य के अनुरूप थे, जो VLBI दृष्टिकोण की विश्वसनीयता की पुष्टि करते हैं।
वायुमंडलीय प्रभाव: VieVS में GIMs का उपयोग करके आयनमंडल सुधारों ने इस विशिष्ट बेसलाइन के लिए अंतिम क्लॉक पैरामीटर पर नगण्य प्रभाव दिखाया, हालांकि लेखक नोट करते हैं कि लंबी बेसलाइन या अलग सौर गतिविधि के लिए यह बदल सकता है।

5. महत्व और भविष्य का दृष्टिकोण (Significance and Future Outlook)

मेट्रोलॉजिकल प्रभाव: यह अध्ययन सिद्ध करता है कि VLBI, अंतरमहाद्वीपीय क्लॉक तुलना के लिए उपग्रह लिंक के एक व्यवहार्य, स्वतंत्र विकल्प के रूप में काम करता है। यह केवल GNSS पर निर्भर हुए बिना ऑप्टिकल घड़ियों को वैश्विक स्तर पर मान्य करने का मार्ग प्रदान करता है।
स्केलेबिलिटी (Scalability): वर्तमान अनिश्चितता ( $\sim 10^{-15}$ ) K-बैंड बैंडविड्थ और स्रोत संरचना प्रभावों द्वारा सीमित है। लेखक अनुमान लगाते हैं कि ब्रॉडबैंड K/Q/W-बैंड रिसीवर्स (CTRs) में अपग्रेड करने से ग्रुप डिले अनिश्चितताओं को सब-पिकोसेकंड स्तर ( $\sim 0.2$ ps) तक कम किया जा सकेगा, जिससे संभावित रूप से $10^{-16}$ या उससे बेहतर तक पहुँचा जा सकेगा।
तकनीकी तालमेल (Technological Synergy): क्लॉक डिलीवरी के लिए ऑप्टिकल फाइबर लिंक और भविष्य के फोटोनिक फेज कैलिब्रेशन (PCAL) सिस्टम का एकीकरण VLBI को ऑप्टिकल घड़ियों की स्थिरता का पूर्ण लाभ उठाने की अनुमति देगा, जिससे खगोलीय जियोडेसी और मौलिक मेट्रोलॉजी के बीच की खाई को पाटा जा सकेगा।
अगले कदम: 2026 में उन्नत टेलिस्कोप के साथ एक फॉलो-अप अभियान की योजना बनाई गई है जो क्लॉक तुलना के लिए उच्च-आवृत्ति, वाइडबैंड VLBI की सीमाओं का परीक्षण करने के लिए CTRs का उपयोग करेगा।

निष्कर्षतः, यह पायलट अध्ययन सफलतापूर्वक उच्च-आवृत्ति जियोडेटिक VLBI के अंतरमहाद्वीपीय क्लॉक तुलना के लिए उपयोग को मान्य करता है, जो सेकंड के पुनर्निर्धारण और उच्च-परिशुद्धता सापेक्षतावादी जियोडेसी का समर्थन करने में सक्षम एक भविष्य के वैश्विक नेटवर्क के लिए आधार स्थापित करता है।