Исследователи нашли способ синхронизировать часы на Земле и Луне

В наши дни время решает все. Сети связи и системы глобального позиционирования зависят от точного отслеживания точного времени сигналов, в том числе с учетом эффектов теории относительности. Чем глубже вы погружаетесь в гравитационный колодец, тем медленнее идет время, и мы достигли точки, когда можем обнаружить разницу в высоте планет. Один миллиметрВремя течет быстрее на высоте, на которой расположены спутники GPS, чем с часами на поверхности Земли. Ситуация усложняется тем, что эти спутники движутся с высокой скоростью, и этот эффект замедляет процесс.

Это относительно легко объяснить на Земле, где мы имеем дело с одним набором модификаций, которые можно запрограммировать в электронные устройства, которые должны отслеживать эти вещи. Но существуют планы отправить множество инструментов на Луну, у которой гораздо более низкое гравитационное поле (более быстрые часы!), а это означает, что объекты могут оставаться на орбите, несмотря на медленное движение (также более быстрые часы!).

Было бы легко создать аналогичную систему для отслеживания времени на Луне, но это неизбежно привело бы к рассинхронизации часов с земными, что является серьезной проблемой для таких вещей, как научные наблюдения. Поэтому Международный астрономический союз У него есть решение Для этого необходимы «лунная небесная система отсчета» и «лунные координаты времени». В понедельник два исследователя из Национального института стандартов и технологий Нил Эшби и Биджунат Патла провели расчеты, чтобы показать, как это работает.

Держите время

Мы готовимся к исследованию Луны. Если все пойдет хорошо, Китай и коалиция во главе с США отправят несколько беспилотных миссий, что может привести к постоянному человеческому присутствию. У нас будет все больше устройств и, в конечном итоге, объектов на Луне. Отслеживание нескольких объектов одновременно было достаточным для миссий «Аполлон», но будущим миссиям, возможно, придется приземляться в определенных местах и, возможно, перемещаться между ними. Это делает эквивалент лунного GPS ценным, отмечает Национальный институт стандартов и технологий в своем отчете за 2011 год. Его пресс-релиз Объявление о работе.

Вполне возможно, что всем этим могла бы управлять независимая система позиционирования Луны, если мы готовы признать, что она движется в соответствии со своим собственным ритмом времени. Но это станет проблемой, если мы в конечном итоге будем заниматься такими вещами, как астрономические исследования с Луны, где точное время событий будет иметь решающее значение. Разрешение использования двух отдельных систем также означает переключение всех систем хронометража на борту транспортных средств во время их движения.

Выработана теория, определяющая подход к созданию единой системы. Но практическое применение этого оставлено в качестве упражнения для будущих исследователей. Но очевидно, что будущее наступает сейчас.

Эшби и Патла разработали систему, с помощью которой можно было рассчитать все, что угодно, исходя из центра масс системы Земля/Луна. Или, как они выразились в статье, их математическая система «позволяет нам сравнивать ход часов на Луне и лунные точки Лагранжа по отношению к часам на Земле, используя меру, подходящую для локальной системы отсчета свободного падения, такой как центр масс система Земля-Луна в гравитационном поле Солнца».

Как это выглядит? Ну, есть много производных уравнений. В тексте статьи содержится 55 уравнений, еще 67 уравнений находятся в приложениях. Итак, многие бумаги выглядят вот так.

Ситуация усложняется, потому что нужно учитывать множество факторов. Существуют приливные эффекты от Солнца и других планет. Все, что находится на поверхности Земли или Луны, движется благодаря вращению; Другие объекты движутся на орбите. Гравитационное воздействие на время зависит от того, где находится объект. Итак, есть за чем следить.

Безопасное будущее

Эшби и Батле не обязательно принимать во внимание все и при любых обстоятельствах. Некоторые из этих факторов настолько малы, что их можно обнаружить только с помощью очень точных часов. Другие факторы имеют тенденцию нейтрализовать друг друга. Однако, используя их систему, мы смогли подсчитать, что объект вблизи поверхности Луны будет захватывать дополнительные 56 микросекунд каждый день, что является проблемой в ситуациях, когда мы можем полагаться на измерение времени с точностью до наносекунды.

Исследователи говорят, что их подход, хотя и ориентирован на систему Земля-Луна, все же поддается обобщению. Это означает, что ее можно модифицировать и создать систему отсчета, которая будет работать на Земле и в любом другом месте Солнечной системы. Что, учитывая скорость, с которой мы отправляем объекты за пределы низкой околоземной орбиты, вероятно, является здоровой подготовкой к будущему.

Астрономический журнал, 2024 г. DOI: 10.3847/1538-3881/ad643a (О DOI).