Una convenzione internazionale, stabilisce che il BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) con sede a Sevres (Parigi) è l’autorità preposta alla realizzazione ed alla conservazione dei campioni delle unità di misura di tutte le grandezze fisiche e quindi anche dell’unità di tempo, che è il secondo.

Questo viene così universalmente riconosciuto e costituisce la base per la costruzione di una scala di Tempo Universale (UTC).

Il secondo come le altre unità di misura viene definito con convenzione internazionale tra gli studiosi del settore, astronomi, metrologi etc.. Tale definizione è cambiata nel corso degli anni secondo le esigenze della società, le esigenze scientifiche e le nuove tecnologie che consentono di raggiungere maggiori precisioni.

Fino al 1967, il secondo era definito come “1 sec = 1/86.400 del giorno solare medio riferito al 1900”. L’autorità preposta al controllo, era una commissione dell’IAU che attraverso vari Osservatori Astronomici, studiava il moto della terra con strumenti ottici.

Fin dai primi del “900, l’Osservatorio di Cagliari con i suoi telescopi ha partecipato a questo monitoraggio e si è anche dotato di strumenti meccanici per la misura del tempo. Un orologio a pendolo consentiva la datazione delle osservazioni e la misura di durata degli eventi osservati. Questo orologio fu soppiantato alla fine degli anni “60 dai più stabili e precisi orologi da laboratorio al quarzo che vennero utilizzati fino agli anni “70.

Nel 1967 la 13” Conferenza Generale dei Pesi e Misure ridefinisce il secondo come “La durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di Cesio-133” togliendo così ogni legame con la rotazione terrestre. Viene così costruita una scala di tempo Atomico. (TA)

Non essendo il moto di rotazione della terra uniforme, per mantenere agganciate le due scale di tempo, ogni volta che i due sistemi divergono di più di mezzo secondo, viene aggiunto un secondo alla scala UTC. (tempo civile)

Alla data di oggi le due scale differiscono di 34sec.

Inizia così l’era degli orologi atomici. L’Osservatorio di Cagliari acquista il suo primo orologio al cesio nel 1974 un EBAUCHES B-5000, strumento da laboratorio molto complesso che a differenza degli odierni 5071, necessitava di particolari cure per la sua gestione.

Essendo questi orologi molto più precisi e stabili (1 sec. ogni 10 elevato 14 sec.), per controllarne la marcia, si utilizzano strumenti di controllo sempre più sofisticati e precisi come i contatori di intervallo di tempo (TIC - Time Interval Counter) che riescono a misurare tempi dell’ordine dei millesimi di miliardesimo di secondo.

La ragione per cui si utilizzano orologi così precisi in un Osservatorio Astronomico, è quella di poter effettuare la datazione di un evento con la miglior precisione possibile.

Quando viene istallato un orologio, la prima operazione da eseguire, come per i comuni orologi da polso, è quella di sincronizzarlo con la Scala di Tempo Universale Questa scala di tempo è costruita dal BIPM ed è chiamata UTC (Universal Time Coordinated). Vedremo dopo come viene costruita.

Per sincronizzare un orologio alla scala di tempo, nel corso degli anni, si sono utilizzati diversi sistemi seguendo sempre lo sviluppo delle nuove tecnologie per raggiungere precisioni sempre più elevate. Negli anni '70 alcuni laboratori di metrologia del tempo, trasmettevano via radio segnali (bip) che permettevano con un ricevitore e qualche strumento accessorio, (oscilloscopio) di effettuare la sincronizzazione con la precisione di qualche decina di millesimi di secondo. In pochi anni si sperimentarono ed utilizzarono sistemi nuovi come OMEGA e Loran-C che ricevendo segnali da più stazioni contemporaneamente, consentivano sincronizzazioni precise al milionesimo di secondo.

L’Osservatorio di Cagliari ha seguito questa evoluzione equipaggiandosi della strumentazione necessaria.

Ricevitori e TIC sempre più veloci.

I sistemi attualmente utilizzati, si basano sulla grande performance consentita dai satelliti artificiali come la costellazione GPS, GLONASS ed ultima arrivata GALILEO. La precisione di sincronizzazione arriva adesso al miliardesimo di secondo. Il laboratorio è equipaggiato con ricevitori per le tre costellazioni di satelliti.

Questa accuratezza ci ha consentito di fare telemetria laser, (si misura il tempo che impiega la luce per colpire un bersaglio) e consentirà ad SRT di fare interferometria.

Già da qualche anno si ipotizza la possibilità di poter costruire scale di tempo che si baseranno sulle frequenze dei segnali ricevuti dalle pulsar e per fare ciò sarà necessario l’abbinamento di un attrezzato Laboratorio del Tempo con un Radiotelescopio. Il ns Osservatorio si troverà nelle condizioni ottimali poiché il laboratorio verrà trasferito nel sito SRT.

UTC. Ecco come funziona

Ci sono approssimativamente 50 laboratori distribuiti nei vari continenti per un totale di circa 200 orologi.

In Italia oltre all’INRIM “G. Ferraris” opera solo il nostro laboratorio CAO (acronimo del ns laboratorio).

Questi orologi attraverso appositi ricevitori vengono costantemente (800 misure al giorno) confrontati con gli orologi atomici che si trovano a bordo dei satelliti che transitano sopra le nostre antenne. Ogni settimana i dati vengono inviati al BIPM.

Questi dati vengono opportunamente mediati secondo algoritmi concordati dalla comunita' scientifica dei metrologi del tempo che calcola un punto UTC ogni 5 giorni e l’offset di ciascun orologio utilizzato nel calcolo. I risultati del calcolo vengono inviati ai singoli laboratori che possono così azzerare l’offset. I dati vengono emanati dal BIPM mensilmente attraverso la circolare T e pubblicati sul sito web

(www.bipm.org/fr/publications/scientif/time_ftp.html).

A ciascun orologio utilizzato nel calcolo di UTC, viene attribuito un peso che è un indice di affidabilità del laboratorio, linearità della marcia dell’orologio e continuità di funzionamento.

Un orologio atomico non deve essere mai spento per tutta la sua durata di vita. Ogni riaccensione comporta la perdita di continuità della scala e l’azzeramento del peso dell’orologio per parecchi mesi.

Negli ultimi mesi un nostro orologio ha totalizzato il massimo di peso attribuibile ad un orologio.

Il laboratorio di Tempo e Frequenza dell’Osservatorio Astronomico di Cagliari consente la sincronizzazione del clock dei computer in rete collegandosi al suo TimeServer (timesync.oa-cagliari.inaf.it).

La dotazione attuale del Laboratorio è di

• 2 orologi atomici al Cs, 1 Rb ed 1 Maser ad Idrogeno.
• 1 ricevitore GPS monofrequenza monocanale
• 1 ric. GPS monofreq. Multicanale
• 1 ric. Combinato GPS, GLONASS, GALILEO, multifrequenza multicanale.

Il laboratorio con tutte le sue risorse verrà trasferito presso il sito del Sardinia Radio Telescope (SRT) dove dovrà fornire i segnali di tempo e frequenza all’antenna per la movimentazione e per i ricevitori, alle sale controllo ed ai vari laboratori.