Ce ora este Luna?
În aprilie 2024, Casa Albă a lansat o provocare pentru oamenii de știință să stabilească un standard de timp lunar, urmărind creșterea prezenței internaționale pe Lună și potențialele baze umane, ca parte a NASAlui Inițiativa Artemis. Adevărata întrebare asupra căreia este nedumerită nu este „Cât este ceasul?” ci, mai degrabă, „Cât de repede face timp pasa?”
Ce ora citește un ceas poate fi setată de orice cronometru, dar fizica determină cât de repede trece timpul. În primii ani ai secolului XX, Albert Einstein a stabilit că doi observatori nu vor fi de acord cu privire la cât de lungă este o oră dacă nu se mișcă cu aceeași viteză în aceeași direcție. Acest dezacord este valabil și între o persoană de pe suprafața Pământului și o altă persoană aflată pe orbită sau pe Lună.
„Dacă suntem pe Lună, ceasurile vor bifa altfel [than on Earth]”, a spus fizicianul teoretician Bijunath Patla de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) din Boulder, Colorado. El a remarcat că mișcarea Lunii în raport cu a noastră face ceasurile să meargă mai încet decât standardul Pământului, dar gravitația sa mai mică duce la ceasurile să funcționeze mai repede. „Deci, acestea sunt două efecte concurente, iar rezultatul net al acestui lucru este o deriva de 56 de microsecunde pe zi”. (Asta înseamnă 0,000056 secunde.)
Patla și colegul său fizician NIST Neil Ashby a folosit teoria relativității generale a lui Einstein pentru a calcula acest număro îmbunătățire față de analizele anterioare. Ei și-au publicat rezultatele în Jurnalul Astronomic.
Deși o diferență de 56 de microsecunde este mică în raport cu standardele umane, este semnificativă atunci când vine vorba de ghidarea mai multor misiuni cu o acuratețe maximă sau de comunicare între Pământ și Lună.
„Lucrul fundamental este siguranța navigației în contextul unui ecosistem lunar, când aveți mult mai multă activitate pe Lună decât aveți acum”, a spus. Cheryl Gramlinginginer de sisteme la NASACentrul de zbor spațial Goddard al lui. „Când vine vorba de navigație, o derivă de 56 de microsecunde pe zi între un ceas de pe Lună și [a clock] pe Pământ este o mare diferență, așa că trebuie să o faci.”
Navigația modernă de precizie se bazează pe sincronizarea ceasurilor, ceea ce implică coordonarea folosind unde radio, care se deplasează cu viteza luminii. Gramling a remarcat că lumina călătorește cu 30 de centimetri (11,8 inchi) într-o nanosecundă (0,001 microsecundă) – o perioadă incredibil de scurtă după standardele umane – așa că nerespectarea discrepanței de 56 de microsecunde ar putea duce la erori de navigație de până la 17 kilometri. pe zi. Chiar și o fracțiune din asta este inacceptabilă când vine vorba de Artemis misiuni, care vor necesita cunoașterea poziției fiecărui rover, aterizare sau astronaut la o distanță de 10 metri în orice moment.
Sunt liber! Cădere liberă!
Un rezultat cheie al teoria relativității este că nu există timp absolut. Un ceas de pe suprafața Pământului va bifa mai lent decât unul pe orbită din cauza efectelor gravitaționale, motiv pentru care sateliții GPS trebuie să țină cont de relativitate. (Timpul universal coordonat și alte standarde de pe Pământ folosesc rețele de ceasuri care corectează pentru minuscule diferențe gravitaționale la diferite cotede asemenea.)
Înrudit: 8 moduri prin care poți vedea teoria relativității a lui Einstein în viața reală
Determinarea diferenței de cronometrare între Pământ și Lună adaugă complicații suplimentare. Luna se mișcă în raport cu orice punct de pe suprafața Pământului din cauza rotației noastre și a orbitei sale în jurul nostru, ceea ce înseamnă că orice ceas lunar va părea să funcționeze mai lent din punctul nostru de vedere. În plus, orice ceas de pe Lună este afectat de ceasul Lunii gravitaţie şi ale Pământului. (Sateliții artificiali nu sunt suficient de mari sau de masivi pentru ca propriile lor efecte gravitaționale să conteze.)
Gestionarea corectă a acestor efecte ale relativității necesită alegerea unui cadru de referință adecvat. Ashby și Patla au abordat problema recunoscând că sistemul Pământ-Lună este în cădere liberă – mișcându-se numai sub influența gravitației Soarelui – fiecare orbitând în jurul centrului lor de masă reciproc. Acest lucru le-a permis să formuleze contribuțiile fiecărei complicații: rotația fiecărui corp, forțele de maree, abaterile de formă de la sferele perfecte și așa mai departe.
Ashby și Patla au efectuat, de asemenea, calculul pentru pozițiile stabile din punct de vedere gravitațional pe orbită între Pământ și Lună cunoscute sub numele de puncte Lagrange, care ar putea fi folosite pentru sateliții releu de comunicații.
Între timp, fizician teoretic Serghei Kopeikin al Universității din Missouri și astronom George Kaplan al Observatorului Naval al SUA a calculat independent o schimbare de timp de 56 de microsecunde între Pământ și Lună. Ei au calculat, de asemenea, fluctuații mai mici, periodice, ale frecvenței ceasului din cauza variațiilor mici ale forței mareelor de la Soare și Jupiter, efecte la nivel de nanosecunde care, totuși, trebuie luate în considerare pentru a obține o precizie de navigație la scară de 10 metri sau mai bună.
„Cel [relativity] comunitatea ne-a făcut un serviciu grozav publicând toate aceste lucrări”, a spus Gramling. “Acum avem ceva de adus întregii comunități internaționale de experți în cronometrare și să spunem: „Este acesta modelul pe care îl putem standardiza pentru Lună?”
Vor trece mulți ani sau decenii până când Luna va fi populată cu destui oameni și roboți pentru a avea nevoie de acest nivel de cronometrare. Cu toate acestea, oamenii de știință și inginerii recunosc cât de important este să existe un timp standard lunar cu mult înainte de a fi necesar. Acum au făcut acel prim pas dificil pentru a ști cât este ceasul pe Lună.
Acest articol a fost publicat inițial pe Eos.org. Citiți articol original.