مقیاس زمان تپ اختری: تعریفی برای استاندارد ثانیه؟

قبل از ساخته شدن ساعت‌های اتمی و تعریف زمان اتمی (AT)، ساعت‌های نجومی و زمان نجومی دقیق‌ترین و پایدارترین مقیاس زمان را تعیین می‌كردند. زمان جهانی (UT) كه از گردش زمین به دور خودش، و زمان زیجی، كه از گردش زمین به دور خورشید به دست می‌آید از جمله مقیاس‌های زمانی‌اند كه هنوز به كار می‌روند. بی‌نظمی چرخش زمین منجر به خطایی نسبی در زمان جهانی در حدود می‌شود. در همین مقیاس زمان جهانی، مبدأ (یا لحظه) زمان با دقت 2 تا 4 میلی ثانیه تعیین می‌شود. در مقیاس زمان زیجی، یكنواختی در بازه‌های زمانی طولانی مشاهده می‌شود، اما خطای تعیین لحظه تا چند دهم ثانیه می‌رسد. با مقیاس زمان اتمی می‌توان بازه‌های زمانی را با دقت زیاد تعیین كرد اما ساعت‌های اتمی برخلاف ساعت‌های نجومی موضعی‌اند و تعیین لحظه در آن‌ها منجر به تمایز آن‌ها و نایكسانی‌شان می‌شود. با كشف ثپ اخترها، به خصوص تپ اخترهای میلی ثانیه‌ای، به نظر می‌رسد بتوان مقیاس زمان نجومی جدیدی تعریف كرد كه دقیق‌تر و مناسب‌تر از ساعت‌های اتمی است. تپ اخترها ستاره‌های نوترونی‌ای هستند كه تپ‌های رادیویی با توان زیاد و دقیقاً دوره‌ای گسیل می‌كنند. این ستاره‌های نوترونی به سرعت می‌چرخند و میدان مغناطیسی بسیار قوی دارند. دوره چرخش آن‌ها از 1 میلی ثانیه تا 4 ثانیه است. شدت میدان مغناطیسی روی سطح تپ اخترها از مرتبه بزرگی است. تپ اخترها به مدتی در حدود سال امواج رادیویی همدوس پر توان در یك گستره عریض بسامد تولید می‌كنند. امواج رادیویی در منطقه‌ای از مغناطو سپهر تپ اختر تولید می‌شود. به علت میدان مغناطیسی قوی، مغناطوسپهر به طور صلب به ستاره متصل است و همراه با آن می‌چرخد. چون این گسیل رادیویی جهت مشخصی دارد ناظر زمینی یك تپ باریك و كاملاً دوره‌ای رصد می‌كند كه دوره آن برابر دوره چرخش تپ اختر است. تابش دوقطبی مغناطیسی و نیز ذرات نسبیتی، این دوره را به آهستگی افزایش می‌دهند. آهنگ این افزایش دوره در حدود تا است. این افزایش دوره منظم و یكنواخت است و می‌توان آن را به آسانی در تعریف مقیاس زمان تپ اختری منظور كرد. پایداری دوره گسیل تپ اخترها بسیار زیاد است. اما تغییراتی نیز در زمان دریافت تپ‌ها مشاهده می‌شود كه ظاهراً ناشی از اختلال‌هایی در ستاره یا مغناطو سپهر آن است. این تغییرات معمولاً از نوع نوفه‌اند و گستره آن‌ها از μs1 تا ms1 است.
برای تعریف مقیاس زمان تپ اختری ابتدا لازم است بازه مبنا تعریف شود. در این مورد دوره تپ اختر () نقش بازه مبنا را خواهد داشت. در عمل، لحظه ورود تپ‌های تپ اختر بر مبنای رابطه

حساب می‌شود. كه در آن مبنای اندازه‌گیری زمان، آهنگ تغییر دوره در زمان مبنا، و N تعداد تپ‌ها است. تغییرات ناشی از حركت زمین به دور خود و به دور خورشید را نیز می‌توان منظور كرد و این زمان را برای نقطه ثابتی از منظومه شمسی، مثلاً مركز جرم آن، به دست آورد. زمان اندازه گیری شده انحرافاتی از زمان محاسبه شده نشان خواهد داد. با استفاده از این انحراف، R(t) ، پراكندگی آلن كه یكی از مشخصه‌های ساعت‌هاست به صورت زیر تعریف می‌شود.

كه در آن τ بازه اندازه گیری است. برای یك ساعت ایده آل R(t) یك متغیر تصادفی (كتره‌ای) است كه از بازه اندازه گیری مستقل است، و پراكندگی با كاهش می‌یابد. ساعت‌های اتمی این رفتار ساعت ایده آل را تنها در یك مدت كوتاه (برای ساعت سزیومی حدود روز ) نشان می‌دهند و در بازه‌های طولانی تر شروع به افزایش می‌كند، كه این بیانگر پیشگویی ناپذیری و كمی دقت این نوع ساعت‌هاست. اندازه گیری‌های انجام شده در ایستگاه رادیو اختر شناسی انستیتوی فیزیك آكادمی علوم شوروی از سال 1979 به بعد روی تپ اخترهای 06+0834 PSR و 21+1919 PSR، و نیز تپ اختر 21+1937 PSR( كه در سال 1982 كشف شد) نشان می‌دهد كه برای مقیاس زمان تپ اختری در هر سه مورد رفتار مطلوب كاهنده را دارد. به خصوص در مورد تپ اختر 21+1937 كه دوره آن 5ر1 میلی ثانیه است خطا در زمان ورود تپ بسیار كمتر و در حدود μs1 است. پراكندگی آلن برای این تپ اختر در یك دوره شش ماهه به 〖10〗^(-13) می‌رسد كه قابل مقایسه با بهترین ساعت‌های اتمی است. پیش نیامدن انحراف‌های پیشگویی ناپذیر در این مقیاس بیانگر آن است كه برای بازه‌های زمانی طولانی مقیاس زمان تپ اختری دقیق‌ترین ساعت است. به علاوه، زمان تپ اختری آشكار ساز كاملاً حساسی برای امواج گرانشی است. از این مقیاس می‌توان برای دقیق‌تر كردن داده‌های نجومی نیز استفاده كرد. اختر شناسان و متخصصان زمان سنجی كشور شوروی سابق، به دلایل فوق، زمان تپ اختری را برای تعریف استاندارد زمان پیشنهاد كردند