Cercetătorii își dau seama cum să mențină sincronizarea ceasurilor de pe Pământ și Luna

Știe cineva cu adevărat cât este ceasul? —

O singură oră standardizată Pământ/Lună ar ajuta comunicațiile, ar permite GPS-ul lunar.

Timpul este totul în aceste zile. Rețelele noastre de comunicații și GPS depind toate de urmărirea cu atenție a momentului precis al semnalelor, inclusiv de luarea în considerare a efectelor relativității. Cu cât mergi mai adânc într-o fântână gravitațională, cu atât timpul se mișcă mai lent și am ajuns la punctul în care putem detecta diferențele de altitudine ale un singur milimetru. Timpul curge literalmente mai repede la altitudinea la care se află sateliții GPS decât pentru ceasurile situate pe suprafața Pământului. Complicând lucrurile și mai mult, acei sateliți se mișcă la viteze mari, un efect care încetinește lucrurile.

Este relativ ușor să ținem cont de asta pe Pământ, unde avem de-a face cu un singur set de ajustări care pot fi programate în electronice care trebuie să țină evidența acestor lucruri. Dar există planuri pentru a trimite o gamă largă de hardware pe Lună, care are un câmp gravitațional considerabil mai scăzut (ceasuri mai rapide!), ceea ce înseamnă că obiectele pot rămâne pe orbită în ciuda faptului că se mișcă mai încet (și ceasuri mai rapide!).

Ar fi ușor să se instaleze un sistem echivalent pentru a urmări timpul pe Lună, dar asta ar duce inevitabil ca ceasurile să se sincronizeze cu cele de pe Pământ – o problemă serioasă pentru lucruri precum observațiile științifice. Deci, Uniunea Astronomică Internațională are o rezoluție care necesită un „sistem de referință celest lunar” și un „timp de coordonate lunare” pentru a gestiona lucrurile acolo. Luni, doi cercetători de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie, Neil Ashby și Bijunath Patla, au făcut calculul pentru a arăta cum ar putea funcționa acest lucru.

Păstrarea timpului

Ne pregătim să explorăm Luna. Dacă totul merge conform planului, China și un consorțiu condus de SUA vor trimite mai multe misiuni fără echipaj, ceea ce poate duce la o prezență umană permanentă. Vom avea un set din ce în ce mai mare de hardware și, eventual, facilități pe suprafața lunară. Urmărirea doar a câtorva articole deodată a fost suficientă pentru misiunile Apollo, dar misiunile viitoare ar putea avea nevoie să aterizeze în locații precise și, eventual, să se deplaseze printre ele. Acest lucru face ca echivalentul unui GPS lunar să fie valoros, așa cum notează NIST comunicatul său de presă anunţând lucrarea.

Toate acestea ar putea fi gestionate de un sistem independent de poziționare lunară, dacă suntem dispuși să acceptăm ca acesta să mărșăluiască la propriul ritm temporal. Dar asta va deveni o problemă dacă în cele din urmă vom face lucruri precum efectuarea astronomiei de pe Lună, deoarece momentul exact al evenimentelor va fi critic. Permiterea a două sisteme separate ar însemna, de asemenea, comutarea tuturor sistemelor de cronometrare de la bordul ambarcațiunii în timp ce acestea călătoresc între cele două.

Teoria din spatele modului de a gestiona crearea unui singur sistem a fost elaborată. Dar caracterul practic al acestui lucru a fost lăsat ca un exercițiu pentru viitorii cercetători. Dar, se pare, viitorul este acum.

Ashby și Patla au lucrat la dezvoltarea unui sistem în care orice poate fi calculat în raport cu centrul de masă al sistemului Pământ/Lună. Sau, așa cum spun ei în lucrare, sistemul lor matematic „ne permite să comparăm frecvența ceasului de pe Lună și punctele Lagrange cislunar în raport cu ceasurile de pe Pământ, folosind o metrică adecvată pentru un cadru local în cădere liberă, cum ar fi centrul de masă. a sistemului Pământ-Lună în câmpul gravitațional al Soarelui”.

Cum arată asta? Ei bine, o mulțime de ecuații derivate. Corpul lucrării are 55 dintre ele, iar în anexe sunt încă 67. Deci, o mulțime de hârtie sfârșește prin a arăta așa.

Lucrurile se complică pentru că sunt atât de mulți factori de luat în considerare. Există efecte de maree de la Soare și alte planete. Orice lucru de pe suprafața Pământului sau a Lunii se mișcă datorită rotației; alte obiecte se mișcă pe orbită. Influența gravitațională asupra timpului va depinde de locul în care se află un obiect. Deci, sunt multe de urmărit.

Dovada de viitor

Ashby și Patla nu trebuie să ia în considerare totul în toate circumstanțele. Unii dintre acești factori sunt atât de mici încât vor fi detectabili doar cu un ceas extrem de precis. Alții tind să se anuleze reciproc. Cu toate acestea, folosind sistemul lor, ei sunt capabili să calculeze că un obiect din apropierea suprafeței Lunii va ridica încă 56 de microsecunde în fiecare zi, ceea ce este o problemă în situațiile în care ne putem baza pe măsurarea timpului cu precizie de nanosecunde.

Iar cercetătorii spun că abordarea lor, deși se concentrează pe sistemul Pământ/Lună, este încă generalizabilă. Ceea ce înseamnă că ar trebui să fie posibil să-l modifici și să creăm un cadru de referință care să funcționeze atât pe Pământ, cât și oriunde altundeva în Sistemul Solar. Ceea ce, având în vedere ritmul în care am trimis lucruri dincolo de orbita joasă a Pământului, este probabil o cantitate sănătoasă de pregătire pentru viitor.

The Astronomical Journal, 2024. DOI: 10.3847/1538-3881/ad643a (Despre DOI).