Výskumníci prišli na to, ako udržať hodiny na Zemi a Mesiaci v synchronizácii

V týchto dňoch je načasovanie všetko. Naše komunikačné a GPS siete závisia od starostlivého sledovania presného načasovania všetkých signálov – čo zahŕňa aj zohľadnenie účinkov relativity. Čím hlbšie sa dostanete do gravitačnej studne, tým pomalšie plynie čas a my sme dosiahli bod, v ktorom môžeme zistiť rozdiely vo výške jeden milimeterČas plynie rýchlejšie vo výške satelitov GPS ako na hodinách umiestnených na povrchu Zeme. Aby sa veci ešte viac skomplikovali, tieto satelity sa pohybujú vysokou rýchlosťou, čo je efekt, ktorý veci spomaľuje.

Na Zemi, kde máme čo do činenia so súborom úprav, ktoré je možné naprogramovať do elektroniky, ktorá musí tieto veci sledovať, sa to dá pomerne ľahko vysvetliť. Existujú však plány na vyslanie väčšieho množstva hardvéru na Mesiac, ktorý má oveľa nižšie gravitačné pole (rýchlejšie hodiny!), čo znamená, že objekty môžu zostať na obežnej dráhe aj napriek tomu, že sa pohybujú pomalšie (a rýchlejšie!).

Bolo by ľahké vytvoriť podobný systém na meranie času na Mesiaci, ale to by nevyhnutne spôsobilo nesynchronizáciu hodín na Zemi – vážny problém pre veci ako vedecké pozorovanie. Preto Medzinárodná astronomická únia existuje uznesenie Uvádza potrebu „mesačného nebeského referenčného systému“ a „lunárneho súradnicového času“ na zvládnutie vecí. V pondelok dvaja výskumníci z Národného inštitútu pre štandardy a technológie, Neil Ashby a Bijunath Patla, urobili matematiku, aby ukázali, ako by to mohlo fungovať.

sledovať čas

Pripravujeme sa na prieskum Mesiaca. Ak všetko pôjde podľa plánu, konzorcium vedené Čínou a USA vyšle viacero bezpilotných misií, čo môže viesť k trvalej ľudskej prítomnosti. Budeme mať rastúci súbor hardvéru a nakoniec aj zariadení na mesačnom povrchu. Misiam Apollo stačilo sledovať len niekoľko objektov naraz, no budúce misie možno budú musieť pristáť na presných miestach a možno sa medzi nimi pohybovať. Vďaka tomu je Luna rovnako cenná ako GPS, ako poznamenáva NIST jeho tlačová správa Oznámenie diela.

Toto všetko by potenciálne mohol zvládnuť nezávislý lunárny polohovací systém, ak sme ochotní akceptovať, že sa pohybuje vlastným tempom. Ale to sa stane problémom, ak budeme nakoniec robiť veci, ako je astronómia z Mesiaca, pretože presné načasovanie udalostí bude dôležité. Povolenie dvoch samostatných systémov by tiež znamenalo, že pri cestovaní medzi nimi by sa museli zmeniť všetky systémy plánovania na lodi.

Princíp vytvorenia jednotného systému bol vypracovaný. Praktickosť tohto postupu však zostáva ako cvičenie pre budúcich výskumníkov. Ale je jasné, že budúcnosť je teraz.

Ashby a Patala pracovali na vývoji systému, v ktorom by sa dalo vypočítať čokoľvek z hľadiska ťažiska systému Zem/Mesiac. Alebo, ako píše v článku, jeho matematický systém „nám umožňuje spojiť hodiny na Zemi pomocou metriky vhodnej pre ťažisko systému Zem-Mesiac v lokálne voľne padajúcom rámci, akým je gravitačné pole Slnka“. „Umožňuje porovnanie hodinových frekvencií v lunárnych a cislunárnych Lagrangeových bodoch.“

ako to vyzera? No, veľa derivačných rovníc. V hlavnej časti príspevku je ich 55, v prílohe 67 ďalších. Preto väčšina papiera vyzerá takto.

Veci sa komplikujú, pretože je potrebné zvážiť veľa faktorov. Slapové efekty sa vyskytujú zo Slnka a iných planét. Akýkoľvek objekt na povrchu Zeme alebo Mesiaca sa pohybuje v dôsledku rotácie; Ostatné objekty sa na obežnej dráhe pohybujú. Gravitačné účinky na čas budú závisieť od toho, kde sa objekt nachádza. Treba teda veľa sledovať.

budúci dôkaz

Ashby a Patla nie sú povinní brať za každých okolností všetko do úvahy. Niektoré z týchto faktorov sú také malé, že ich možno zistiť iba veľmi presnými hodinami. Ostatní sa navzájom rušia. Napriek tomu sú pomocou svojho systému schopní vypočítať, že objekt v blízkosti povrchu Mesiaca zachytí každý deň ďalších 56 mikrosekúnd, čo je problém v situáciách, keď sa môžeme spoľahnúť na meranie času s presnosťou na nanosekundu Are.

A vedci tvrdia, že ich prístup, napriek zameraniu sa na systém Zem/Mesiac, je stále zovšeobecňovateľný. To znamená, že by malo byť možné ho upraviť a vytvoriť referenčný rámec, ktorý bude fungovať na Zemi a kdekoľvek v slnečnej sústave. Vzhľadom na rýchlosť, ktorou sme posielali veci za nízku obežnú dráhu Zeme, je to pravdepodobne zdravá bezpečnosť do budúcnosti.

Astronomický časopis, 2024. DOI: 10.3847/1538-3881/ad643a (O DOI)