W dzisiejszych czasach najważniejszy jest czas. Sieci komunikacyjne i globalne systemy pozycjonowania zależą od precyzyjnego śledzenia dokładnego czasu sygnałów – w tym uwzględniania skutków teorii względności. Im głębiej wejdziesz w studnię grawitacyjną, tym wolniej płynie czas i dotarliśmy do punktu, w którym możemy wykryć różnice w wysokościach planet. Jeden milimetrCzas płynie szybciej na wysokości, na której znajdują się satelity GPS, niż w przypadku zegarów na powierzchni Ziemi. Sprawę komplikuje jeszcze fakt, że satelity te poruszają się z dużą prędkością, co spowalnia proces.
Jest to stosunkowo łatwe do wyjaśnienia na Ziemi, gdzie mamy do czynienia z pojedynczym zestawem modyfikacji, które można zaprogramować w urządzeniach elektronicznych potrzebnych do śledzenia tych rzeczy. Istnieją jednak plany wysłania szeregu instrumentów na Księżyc, który ma znacznie niższe pole grawitacyjne (szybsze zegary!), co oznacza, że obiekty mogą pozostać na orbicie pomimo powolnego ruchu (szybsze zegary też!).
Łatwo byłoby stworzyć podobny system śledzenia czasu na Księżycu, ale nieuchronnie spowodowałoby to rozsynchronizowanie zegarów z zegarami na Ziemi – co stanowi poważny problem w przypadku obserwacji naukowych. Dlatego Międzynarodowa Unia Astronomiczna Ma decyzję Wymaga to „księżycowego, niebieskiego układu odniesienia” i „księżycowego czasu współrzędnych”, aby sobie z tym poradzić. W poniedziałek dwóch badaczy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii, Neil Ashby i Bijunath Patla, przeprowadziło obliczenia, aby pokazać, jak to działa.
Zachowaj czas
Przygotowujemy się do eksploracji Księżyca. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, Chiny i koalicja pod przewodnictwem USA wyślą kilka misji bezzałogowych, które mogą doprowadzić do trwałej obecności ludzi. Będziemy mieć coraz większą gamę urządzeń i ostatecznie obiektów na Księżycu. W przypadku misji Apollo wystarczające było śledzenie kilku obiektów na raz, ale w przyszłych misjach konieczne może być lądowanie w określonych lokalizacjach i być może przemieszczanie się między nimi. To sprawia, że odpowiednik księżycowego GPS jest cenny, zauważa Narodowy Instytut Standardów i Technologii w swoim raporcie z 2011 roku. Jej komunikat prasowy Ogłoszenie o pracę.
Możliwe, że tym wszystkim mógłby zająć się niezależny system pozycjonowania Księżyca, jeśli zgodzimy się przyjąć, że porusza się on według własnego rytmu czasu. Stanie się to jednak problemem, jeśli w końcu będziemy robić takie rzeczy, jak wykonywanie astronomii z Księżyca, gdzie kluczowy będzie dokładny czas wydarzeń. Dopuszczenie dwóch oddzielnych systemów oznacza również przełączanie wszystkich systemów pomiaru czasu w pojazdach podczas podróży między nimi.
Doszliśmy do teorii, która reguluje podejście do tworzenia pojedynczego systemu. Praktyczne zastosowanie tego rozwiązania pozostawiono jednak jako ćwiczenie dla przyszłych badaczy. Ale najwyraźniej przyszłość jest teraz.
Ashby i Patla opracowali system, za pomocą którego można obliczyć wszystko w odniesieniu do środka masy układu Ziemia/Księżyc. Lub, jak to napisali w artykule, ich system matematyczny „umożliwia nam porównanie częstotliwości zegara księżycowego i księżycowych punktów Lagrange’a w odniesieniu do zegarów na Ziemi przy użyciu miary odpowiedniej dla lokalnego układu swobodnego spadania, takiego jak środek masy Ziemi -Układ Księżycowy w polu grawitacyjnym Słońca.”
Jak to wygląda? Cóż, istnieje wiele równań pochodnych. Tekst artykułu zawiera 55 równań, a w załącznikach znajduje się 67 kolejnych równań. Dlatego większość gazet wygląda tak.
Ashby i Batla, 2024
Sprawy się komplikują, ponieważ należy wziąć pod uwagę wiele czynników. Istnieją skutki pływowe ze Słońca i innych planet. Wszystko na powierzchni Ziemi lub Księżyca porusza się w wyniku obrotu; Inne obiekty poruszają się na orbicie. Wpływ grawitacji na czas zależy od tego, gdzie znajduje się obiekt. Jest więc co śledzić.
Bezpieczna przyszłość
Ashby i Batla nie muszą brać wszystkiego pod uwagę w każdych okolicznościach. Niektóre z tych czynników są tak małe, że można je wykryć jedynie za pomocą bardzo precyzyjnego zegarka. Inne czynniki mają tendencję do wzajemnego znoszenia się. Jednak korzystając z ich systemu, byliśmy w stanie obliczyć, że obiekt w pobliżu powierzchni Księżyca będzie rejestrował dodatkowe 56 mikrosekund każdego dnia, co stanowi problem w sytuacjach, gdy możemy polegać na pomiarze czasu z precyzją nanosekundową.
Naukowcy twierdzą, że ich podejście, chociaż koncentruje się na układzie Ziemia-Księżyc, nadal można uogólnić. Oznacza to, że można go modyfikować i tworzyć układ odniesienia, który będzie mógł działać na Ziemi i gdziekolwiek indziej w Układzie Słonecznym. Co, biorąc pod uwagę prędkość, z jaką wysłaliśmy rzeczy poza niską orbitę okołoziemską, jest prawdopodobnie solidnym przygotowaniem na przyszłość.
The Astronomical Journal, 2024. DOI: 10.3847/1538-3881/ad643a (O DOI).