Который час на Луне? Исследователи разрабатывают план точного измерения времени

Система координатного времени Луны может послужить основой для разработки навигационной системы типа GPS на Луне. Это будет критически важной частью инфраструктуры для будущих лунных миссий, поддерживающей как пилотируемые, так и роботизированные операции. Автор: NASA

На протяжении десятилетий едва заметное гравитационное притяжение Луны представляло собой неприятную проблему — атомные часы на ее поверхности тикали бы быстрее, чем на Земле, примерно на 56 микросекунд в день. Эта чрезвычайно малая разница не кажется большой, но она может нарушить точный расчет времени, необходимый для таких важных действий, как посадка космических аппаратов и связь с Землей.

Теперь исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали план точного хронометража на Луне, прокладывая путь для навигационной системы, подобной GPS, для исследования Луны. Исследование, опубликованное в The Astronomical Journal, фокусируется на определении теоретической основы и математических моделей, необходимых для создания системы лунного координатного времени.

Это нововведение имеет решающее значение для амбициозной программы NASA «Артемида», целью которой является обеспечение постоянного присутствия человека на Луне, и может стать важным этапом в исследовании космоса.

Лунное координатное время

GPS на Земле в значительной степени опирается на точное хронометрирование. Каждый спутник в созвездии GPS несет атомные часы, синхронизированные с общим эталоном времени. Измеряя время, необходимое для того, чтобы сигналы с нескольких спутников достигли приемника, GPS может определить положение и время приемника. Однако реализация аналогичной системы на Луне и ее точное сопоставление с земной системой представляет собой уникальные проблемы из-за эффектов относительности.

Теория относительности Эйнштейна утверждает, что гравитация влияет на ход времени. Время не течет одинаково для всех. Например, на Луне, где гравитация слабее, чем на Земле, часы идут немного быстрее.

Кроме того, наблюдатель на Земле измеряет время немного иначе, чем наблюдатель на Луне из-за ряда эффектов, связанных с гравитацией, включая орбиту Луны вокруг Земли и орбиту Земли вокруг Солнца. Эти эффекты могут существенно повлиять на точность навигации и коммуникации с течением времени.

Чтобы решить эту проблему, исследователи NIST создали систему для установления и внедрения лунного времени, учитывающую уникальную гравитационную среду Луны. Эта система устанавливает новое главное «лунное время», которое служит в качестве эталона хронометража специально для всей лунной поверхности, подобно тому, как функционирует Всемирное координированное время (UTC) на Земле.

«Эта работа закладывает основу для принятия системы навигации и синхронизации, аналогичной GPS, которая будет использоваться пользователями, находящимися как на Земле, так и на околоземном пространстве, для исследования Луны», — сказал физик NIST Нил Эшби.

Предлагаемая система станет первым шагом в разработке «системы лунного позиционирования», которая будет включать высокоточную сеть часов в определенных местах на поверхности Луны и на лунных орбитах. Эти точные атомные часы на лунной орбите будут функционировать как «спутники» лунной сети GPS, предоставляя точные сигналы синхронизации для навигации.

Точная навигация и позиционирование на Луне могут привести к более точным посадкам и более эффективному исследованию лунных ресурсов. Без этого «лунного GPS» посадка и работа на Луне были бы похожи на попытку навигации на Земле без какой-либо системы позиционирования — у вас было бы только приблизительное представление о вашем местоположении, что чрезвычайно затрудняло бы выполнение сложных операций или точное перемещение на большие расстояния.

«Цель состоит в том, чтобы гарантировать, что космический корабль сможет приземлиться в пределах нескольких метров от предполагаемого пункта назначения», — сказал Патла.

Новая космическая гонка

Этот прорыв происходит, когда страны мира возобновляют свой интерес к исследованию Луны. Луна предлагает ценные научные знания о формировании нашей солнечной системы и содержит потенциальные ресурсы для будущих технологий, таких как водяной лед, гелий-3 и редкоземельные элементы, используемые в таких вещах, как смартфоны и компьютеры.

Лунное координатное время может стать ключевым фактором для более глубокого исследования космоса, поскольку хронометрирование может оказаться полезным для координации сложных миссий и создания межпланетной навигационной сети.

«Предлагаемая структура, лежащая в основе лунного координатного времени, в конечном итоге может позволить исследования за пределами Луны и даже за пределами нашей солнечной системы», — сказал Патла. «Как только люди разовьют возможности для таких амбициозных миссий, конечно».

Больше информации: Neil Ashby et al, A Relativistic Framework to Estimate Clock Rates on the Moon, The Astronomical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-3881/ad643a

Источник: National Institute of Standards and Technology