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Academia de San Romualdo

Redefinición del segundo y relojes ópticos, desafíos del Observatorio

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Antonio Atienza
11/11/2017 20:04 · Actualizado el 16/11/2017 17:39

El Real Observatorio de la Armada de San Fernando es, por Ley, el organismo que mantiene el  patrón de la unidad básica de tiempo así como la escala UTC(ROA), base de la hora legal española desde 1976. O sea, la Hora Legal de España con todas las aplicaciones que tiene. Además cuenta, desde hace pocos meses, con un nuevo laboratorio acorde con las necesidades actuales y sobre todo, con los retos que se avecinan. Pero eso no quiere decir que esté todo hecho.

Es más, queda un largo camino por recorrer y mucho trabajo de preparación para asumir no de los grandes retos con que comienza este siglo y en el que el ROA tiene mucho que decir, como lo tuvo en la segunda mitad del siglo pasado en el hito de la definición del segundo. Porque ahora, con los nuevos relojes actualmente en experimentación y con los que ya existen, se pone sobre la mesa la necesidad de una redefinición de esa medida de tiempo.

Tras la terminación de las obras y su entrega a la Armada en el mes de diciembre de 2016, los trabajos siguieron con el equipamiento del nuevo centro y el 16 de septiembre pasado fue inaugurado oficialmente por el Rey Felipe VI. Los trabajos han seguido con el trasiego de equipos desde las viejas instalaciones a las nuevas y la calibración de los sistema de tiempo.

Sin embargo, entre las labores más importantes que se están haciendo en el ROA se encuentra una fundamental  para que esa inversión -relativamente pequeña, dicho sea de paso, para el servicio que presta- sea operativa y dé los frutos apetecidos, además de mantener al centro de San Fernando en la órbita de los observatorios más importantes del mundo.

Formación

Se trata de la labor de formación del personal que estará al frente de los servicios de Hora y que tiene que estar capacitado para todo lo que hay que afrontar. Lo decía el capitán de navío y subdirector del Observatorio de Marina, Francisco Javier Galindo Mendoza, al hablar sobre "el gran desafío del Real Observatorio para la década 2020" en un acto de la Real Academia de San Romualdo de Ciencias, Letras y Artes.

"Hemos tenido que hacer una serie de labores que afecta al personal, porque el personal tiene que estar capacitado para lo que vamos a afrontar". La mejora de la medida del tiempo, tremendamente complicada, requiere "mucho personal y personal capacitado".

Es por ello que desde el Real Observatorio de la Armada han comenzado a formar al personal clave desde el año 2012 comenzó a trabajar y formarse en el ROA pero que pasaron después a la Universidad española; un oficial estuvo en la Universidad de Salamanca haciendo un máster de estabilidad óptica y una oficial ha estado en la Universidad Politécnica de Madrid.

Han hecho prácticas, ambos, en el Instituto de Óptica Daza de Valdés, que pertenece al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y luego han sido asignados, gracias a una becas de Movilidad conseguidas a través de EURAMET y trabajan en la actualidad con el mejor equipo del mundo que trabajan en los nuevos relojes con mayor estabilidad conocidos.

El oficial está en el Observatorio de París desde hace diez meses y la oficial en el Observatorio de Turín (Italia) pero trabajando ambos con el mismo equipo del consorcio EURAMET que es el principal organismo de metrología de Europa. "Ambos se están preparando para afrontar los nuevos retos que los tenemos muy cerca y el oficial que está en París ya ha comenzado el Doctorado, aunque pretendemos que continúe su formación con una nueva beca en el mismo Observatorio y prácticamente estará haciendo su tesis doctoral a la vez que estamos instalando el primer sistema óptico para generar tiempo".

Todo ello se completa con el esfuerzo que está haciendo la Armada con la Oferta de Empleo Público de 2017 y 2018 para reformar el personal experto de formación superior que se pueda terminar de formar en el Observatorio de San Fernando.

Un laboratorio equipado

De ahí que el nuevo edificio del laboratorio de la Hora esté equipado para el desafío que viene con sus nuevas capacidades, como los patrones ópticos y la fibra óptica. Porque ahí está la clave de todo este proceso. Los patrones ópticos precisan para la calibración a distancia técnicas de fibra óptica "y ya estamos dando pasos en proyectos que nos van a permitir utilizar fibra óptica de manera coherente para controlar qué es lo que ocurre y poder llevar el tiempo preciso a cualquier punto del territorio nacional. Tanto tiempo como frecuencia".

¿Pero cuál es el reto al que se enfrenta el ROA y en general los observatorio del mundo? Evidentemente, sino no hubiera quedado claro, a la utilización de la medida del tiempo a través de relojes ópticos, muy por encima de los relojes atómicos y que con unas capacidades hasta ahora inalcanzadas.

Sin embargo, es una técnica que aún tiene problemas que resolver. El primero de ellos la estabilización del láser. "Necesitamos un dispositivo capaz de generar una frecuencia muy estable de Teraherzios, en el rango visible, pero que a la vez sea una frecuencia muy exacta. Esto no es tarea fácil. Hay que utilizar láseres, cavidades capaces de eliminar vibraciones, de enfriar y reducir todos los efectos que introducen anchura en el haz láser y que tenemos que manejar desde el laboratorio".

El segundo es la operación en trampas magneto-ópticas, en las que se van a realizar las fases de enfriamiento, bombeo óptico, interrogación y detección. "Son todos los pasos para llevar a los átomos a una posición idónea en cuanto al nivel energético que tienen, excitarlos, producir la fluorescencia y ser capaces de medir con precisión la frecuencia asociada en el rango óptico".

Finalmente es necesario un elemento que permita a los investigadores evaluar, una vez enclavado, cuál es el valor de esa frecuencia a partir del peine de frecuencias. Éste es un dispositivo capaz de dar una frecuencia de salida disciplinando con la calidad magneto óptica y el láser que previamente ha sido enfriado. "Es un proceso complicado", dice Galindo Mendoza. Mucho más complicado incluso que transcribir sus explicaciones sobre el particular.

En una primera fase se pretende afrontar todo el problema de la estabilización láser y del desarrollo de peine de frecuencias sin introducir la cavidad magneto-óptica porque es un problema añadido. Esa primera fase podría estar terminada en el verano de 2020 y podrían alcanzarse frecuencia de 10-15.

En una segunda fase se abordaría el uso de la trampa magneto-óptica que estaría acabada en el año 2025 y tras la que se conseguiría una frecuencia de 10-17. Tanto en la primera fase como en la segunda se pretende conseguir sendas tesis doctorales europeas con los oficiales que se encuentran en Francia e Italia.

Para hacerse una idea más mundana de lo que explicó el capitán de navío, con los relojes de cesio se conseguía una frecuencia de 10-10, con los relojes ópticos de están consiguiendo frecuencias de 10-15. Esa diferencia supone multiplicar por cien mil el número de tis por segundo, o sea, el número de vibraciones que sirven de referencia para la medida de tiempo.

Toda esta jerga tan complicada y sólo al alcance de los especialistas la explicó el capitán de navío Galindo con un ejemplo muy fácil de entender. Proyectó sobre la pantalla dos reglas y dos lápices. Una regla con líneas que marcaban cada centímetro y en la que la medida del lápiz era de cinco centímetros, pero en comparación con una regla dividida en milímetros, el lápiz resultaba que no medía cinco centímetros, sino 48 milímetros. Esto es, mientras más divisiones tiene una escapa de medida, sea del tipo que sea, más exactitud resultará de su uso. De 10-10 a 10-15 y 1 10-18. Esa es la meta.

El día a día

La medida del tiempo, explicó el conferenciante -que es la explicación que se está extendiendo, no sólo en la teoría sino en la práctica-, no es sólo una operación para astrónomos y especialistas. Es una necesidad para la vida moderna y abarca todos los campos de los que estamos rodeados y con los que convive la sociedad actual.

La exactitud en la medida del tiempo es fundamental para comunicarse con los satélites, pero también para el uso correcto de internet por parte de un particular. Las encriptaciones en las que se envían datos desde un ordenador casero precisa de un receptor que recoge y traduzca esas encriptaciones en tiempo real, por lo que ambos ordenadores, la transferencia entre los dos aparatos, debe de ser perfecta (o casi). El GPS, con mejores medidas del tiempo, puede acertar el objetivo en un metro cuadrado, algo que ahora no hace. Una flota de camiones puede ser seguida desde la empresa sabiendo exactamente dónde esta cada vehículos. Todo depende de la hora. Directamente.

Las operaciones de bolsa, en un mundo globalizado con distintos husos horarios, necesita de un patrón comúnmente aceptado para que todas las operaciones circulen en el mismo espacio de tiempo. Las bolsas de todo el mundo exigen ya medidas de cuatro decimales a la hora de comprar o vender acciones, o a la hora de cualquier transacción. Porque, por ejemplo, cuando dos operadores pujan a la vez por el mismo valor, el primero es el que se lo adjudica. Y puede que la diferencia entre ambos sea de milésimas de segundos.

Eso es lo que se hace en el Real Observatorio de la Armada de San Fernando. Medir el tiempo, cada vez mejor y cada vez más complejo, independientemente de que a la mayoría de los mortales les dé igual que su reloj de pulsera marque un minuto más o menos. O que tenga en su casa un reloj de péndulo y se distraiga en corregir cada cierto tiempo la acumulación de segundos que pierde cada día.

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