Марсианское время ускоряется: как гравитация и орбита создают уникальные «космические часы»
Ученые установили, что время на Марсе течет немного быстрее, чем на Земле. Согласно новому исследованию, если измерять с Земли, марсианские часы в среднем «спешат» на 0,477 миллисекунды (477 микросекунд) за 24 земных дня по сравнению с земным временем. Понимание этой разницы может стать ключом к созданию будущей «интернет-сети» в масштабах Солнечной системы.
В ближайшие десятилетия человечество планирует активное освоение космоса: программы вроде Artemis NASA должны заложить основу для постоянных поселений на Луне и за её пределами. Разработка стандартных часов для каждого космического объекта поможет астронавтам ориентироваться на новых мирах и координировать связь с Землей.
Однако есть нюанс: время течёт неодинаково в разных точках пространства. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна показывает, что скорость течения времени зависит от силы гравитации в данной области. В условиях сильной гравитации часы идут медленнее, чем в зонах с более слабым притяжением. Именно поэтому жители высокогорья стареют на доли миллисекунды быстрее, чем обитатели уровня моря (на большой высоте гравитационное воздействие Земли слабее).
Кроме того, время на планете зависит от её орбитальной скорости вокруг звезды: чем выше скорость, тем быстрее проходит время.
Неуловимое время
Совместное влияние орбитальной скорости и гравитации приводит к тому, что время на различных телах Солнечной системы, если измерять его с Земли, течёт с разной скоростью. В исследовании 2024 года было подсчитано, что лунные часы в среднем идут на 56 микросекунд быстрее земных. Установив это, авторы работы — физики Национального института стандартов и технологий в Боулдере (Колорадо) Нил Эшби и Биджунат Патла — обратили внимание на Марс.
Сначала они определили на Марсе уровень отсчёта — аналог земного уровня моря, называемый ареоидом. Затем с помощью физических формул рассчитали, как гравитация и орбитальная скорость Марса и Земли влияют на марсианское время на уровне ареоида. Хотя более медленная орбитальная скорость Марса (относительно Земли) должна замедлять местные часы, значительно более слабая поверхностная гравитация планеты (в пять раз меньше, чем на уровне моря на Земле) ускоряет их ещё сильнее.
Однако в этом анализе не учитывалась форма орбит. Орбита Марса более вытянута (яйцеобразна), чем земная, поскольку искажена гравитационным влиянием Земли и её спутника. (Спутники Марса, Деймос и Фобос, по словам Патлы, из-за своих крошечных размеров оказывают пренебрежимо малое воздействие). Поэтому Эшби и Патла включили в свои уравнения форму орбиты Марса, гравитационное влияние Солнца и Луны.
Синхронизация марсианских часов
Анализ показал, что марсианские часы, измеряемые с Земли, идут быстрее земных в среднем на 477 микросекунд за земные сутки. Примечательно, однако, что эта величина меняется ежедневно на 226 микросекунд (около половины самого смещения) в течение марсианского года. Колебания вызваны вытянутой формой орбиты Марса и изменяющимся гравитационным воздействием соседних небесных тел по мере их приближения и удаления от планеты.
Кроме того, исследователи обнаружили дополнительное изменение в 40 микросекунд за семь синодических периодов Марса (синодический период — время, через которое планета возвращается в ту же точку неба относительно Земли и Солнца).
«Колебания и вариации, связанные с орбитальным танцем Земли и Марса (синодическим периодом), стали неожиданностью», — отметил Патла, поскольку их масштаб оказался больше ожидаемого.
Результаты, опубликованные 1 декабря в The Astronomical Journal, помогут учёным синхронизировать время в Солнечной системе, что в отдалённом будущем позволит создать высокоскоростные каналы связи для межпланетного интернета, хотя значительные колебания усложнят эту задачу. Патла добавил, что работа «закладывает основу для будущих проверок общей теории относительности и фундаментальной физики, исследующих природу пространства-времени».
Однако расчёты всё ещё имеют погрешность около 100 наносекунд (0,1 микросекунды) в день на длительных промежутках времени, поскольку в них не учитывались крошечные изменения в движении планет. Хотя эта неточность минимальна, она потребовала бы сброса марсианских часов каждые 100 дней.
Исследование также не учитывало такие факторы, как прецессия (постепенное колебание) орбит планет и эффекты гравитационных квадрупольных моментов Земли и Марса (характеризующих распределение массы внутри планет). В совокупности эти ограничения могут затруднить получение более точных расчётов времени.
Перспективы для космических миссий и науки
Это открытие имеет практическое значение для будущих пилотируемых миссий на Марс. Точная синхронизация времени между Землёй, орбитальными станциями и марсианской поверхностью критически важна для навигации, управления роботами и передачи данных. Возможно, в будущем будет создана единая шкала «Солнечного времени» с поправками для каждого небесного тела, подобно тому как на Земле существуют часовые пояса.
С научной точки зрения, продолжающиеся измерения релятивистских эффектов на Марсе могут стать новой «лабораторией» для проверки теории Эйнштейна в экстремальных условиях. Долгосрочный мониторинг хода времени на Красной планете способен выявить тонкие эффекты, незаметные на Земле, и углубить наше понимание самой ткани пространства-времени.
