Который час на Луне? Исследователи разрабатывают план точного хронометража

На протяжении десятилетий тонкое гравитационное притяжение Луны представляло собой сложную проблему: атомные часы на ее поверхности будут тикать быстрее, чем на Земле, примерно на 56 микросекунд в день. Эта чрезвычайно малая разница кажется незначительной, но она может нарушить точный отсчет времени, необходимый для таких важных действий, как посадка космических кораблей и связь с Землей.

Теперь исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали план точного хронометража на Луне, проложив путь к созданию навигационной системы, подобной GPS, для освоения Луны. Исследование, опубликованное в журнале The Astronomical Journal, посвящено определению теоретических основ и математических моделей, необходимых для создания лунной системы координатного времени.

Эта инновация имеет решающее значение для амбициозной программы НАСА Artemis, которая направлена на создание устойчивого человеческого присутствия на Луне и может стать важной ступенью для освоения космоса.

Лунное координатное время

GPS на Земле в значительной степени опирается на точное время. Каждый спутник в созвездии GPS оснащен атомными часами, которые синхронизированы с общим эталоном времени. Измеряя время, за которое сигналы от нескольких спутников достигают приемника, GPS может определить его положение и время. Однако внедрение подобной системы на Луне и точное сопоставление ее с земной системой сопряжено с уникальными трудностями, обусловленными эффектом относительности.

Теория относительности Эйнштейна гласит, что гравитация влияет на течение 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 несколько иначе, чем наблюдатель на Луне, из-за ряда гравитационных эффектов, включая орбиту Луны вокруг Земли и орбиту Земли вокруг Солнца. Эти эффекты могут существенно повлиять на точную навигацию и связь во времени.

Для решения этой проблемы исследователи NIST создали систему установления и применения лунного времени, которая учитывает уникальную гравитационную среду Луны. Эта система устанавливает новое основное «лунное время», которое служит эталоном времени для всей лунной поверхности, подобно тому, как на Земле действует всемирное координированное время (UTC).

Это все равно, что вся Луна будет синхронизирована с одним «часовым поясом» с учетом гравитации Луны, а не с часами, которые постепенно рассинхронизируются с земным временем», — говорит физик из NIST Биджунат Патла.

«Эта работа закладывает основу для принятия навигационно-временной системы, подобной GPS, которая будет обслуживать околоземных и земных пользователей, для освоения Луны», — сказал физик NIST Нил Эшби.

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

Точная навигация и позиционирование на Луне могут привести к более точным посадкам и более эффективной разведке лунных ресурсов. Без этой «лунной GPS» посадка и работа на Луне будут похожи на попытку ориентироваться на Земле без какой-либо системы позиционирования — вы будете иметь лишь приблизительное представление о своем местоположении, что крайне затруднит проведение сложных операций или точное перемещение на большие расстояния.

«Цель состоит в том, чтобы космические аппараты могли приземляться в нескольких метрах от места назначения», — говорит Патла.

Новая космическая гонка

Этот прорыв произошел в тот момент, когда во всем мире возрождается интерес к исследованию Луны. Луна дает ценные научные сведения о формировании нашей Солнечной системы и содержит потенциальные ресурсы для будущих технологий, такие как водяной лед, гелий-3 и редкоземельные элементы, используемые в таких вещах, как смартфоны и компьютеры.

Лунное координатное время может стать ключом к более глубокому освоению космоса, поскольку хронометраж может оказаться полезным для координации сложных миссий и создания межпланетной навигационной сети.

«Предложенная схема, лежащая в основе лунного координатного времени, в конечном итоге может позволить проводить исследования за пределами Луны и даже за пределами нашей Солнечной системы», — говорит Патла. «Разумеется, если у людей появятся возможности для таких амбициозных миссий».