Если мы хотим жить в других мирах, нам понадобятся новые часы
2 дня тому назад
Время чтения: 6 мин.
Между НАСА, другими космическими агентствами и коммерческим космическим сектором существуют поистине амбициозные планы относительно будущего человечества в космосе. Эти планы предусматривают создание постоянной инфраструктуры на Луне и вокруг нее, которая обеспечит там постоянное присутствие человека, а также проведение исследований, науки и коммерческих операций. Они также призывают к первым пилотируемым полетам на Марс с последующим созданием наземных сред обитания, которые позволят совершать повторные визиты. Эти планы создают множество проблем, начиная от логистических и технических вопросов и заканчивая здоровьем и безопасностью человека.
Еще одной проблемой является координация операций на поверхности Луны с операциями на орбите и на Земле, что требует системы стандартизированного времени. В недавнем исследовании группа исследователей НАСА разработала новую систему лунного времени для всех лунных объектов и объектов, находящихся в окололунном пространстве. Они рекомендуют, чтобы основой этой системы были релятивистские преобразования времени, более известные как «замедление времени». Такая система позволит координировать и эффективно отслеживать время на Луне, устраняя несоответствия, вызванные разницей гравитационного потенциала и относительным движением.
Исследование провели Слава Г. Турышев, Джеймс Г. Уильямс, Дейл Х. Боггс и Райан С. Парк, четыре ученых-исследователя из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL). Препринт их статьи «Релятивистские преобразования времени между барицентром Солнечной системы, Землей и Луной» недавно появился в Интернете и в настоящее время рассматривается для публикации в журнале. Физический обзор D.
На этой иллюстрации космический корабль НАСА «Орион» приближается к Вратам на лунной орбите. Кредиты: НАСА
Релятивистские преобразования времени (RTT), предсказанные преобразованиями Лоренца и специальной теорией относительности (СТО) Эйнштейна, описывают, как течение времени замедляется для наблюдателя по мере ускорения его системы отсчета. Когда Эйнштейн расширил СТО для объяснения гравитации с помощью своей общей теории относительности (ОТО), он установил, что ускорение и гравитация по сути одно и то же и что течение времени меняется в зависимости от силы гравитационного поля. Это представляет собой проблему для освоения космоса, поскольку космические корабли, работающие за пределами Земли, подвержены ускорению, микрогравитации и пониженной гравитации.
Как сообщил Турышев Universe Today по электронной почте, RTT станет важным фактором, поскольку люди начнут работать на Луне в течение длительных периодов времени:
«[RTT] объяснить, как время течет по-разному в зависимости от гравитационного потенциала и движения. Например, часы на Луне идут немного быстрее, чем на Земле, из-за более слабого гравитационного притяжения, испытываемого на поверхности Луны. Хотя эти различия невелики — порядка микросекунд в день — они становятся существенными при координации космических миссий, где даже небольшая ошибка во времени может привести к большим позиционным неточностям или задержкам связи. В освоении космоса точное время имеет решающее значение. Различные временные шкалы играют разную роль в зависимости от системы отсчета».
В своей статье команда определила три основных временных масштаба, которые вступают в игру. Они включают в себя:
Земное время (ТТ): эта шкала времени используется для наземных систем и представляет время на среднем уровне моря с поправками на гравитационный потенциал Земли.
Барицентрическое координатное время (TCB): координата времени в барицентрической небесной системе отсчета (BCRS) с центром в барицентре Солнечной системы. TCB учитывает релятивистские эффекты, обусловленные как гравитационными потенциалами, так и движением тел относительно барицентра, что делает его необходимым для высокоточного моделирования небесной механики и динамики.
Барицентрическое динамическое время (TDB): получено на основе TCB, но скорректировано для работы с той же средней скоростью, что и земное время (TT). Эта корректировка предотвращает долгосрочный вековой дрейф относительно TT, гарантируя, что эфемериды остаются согласованными с наземными наблюдениями в течение длительных периодов.
Иллюстрация астронавтов НАСА на Южном полюсе Луны. Идеи миссий, которые мы видим сегодня, имеют, по крайней мере, некоторое наследие первых дней космической эры. Кредит: НАСА
«Релятивистские поправки связывают эти временные шкалы, обеспечивая согласованное хронометраж навигации космических аппаратов, планетарных эфемерид и связи», — добавил Турышев. «Без таких корректировок траектории космических кораблей и время миссии быстро станут ненадежными, даже на относительно коротких расстояниях».
Программа НАСА «Артемида» включает в себя несколько элементов, работающих в окололунном пространстве и на лунной поверхности в районе южного полюса. К ним относятся орбитальный Лунный шлюз, несколько систем приземления человека (HLS) и базовый лагерь Артемиды, который будет состоять из лунного вездехода (LTV), обитаемой мобильной платформы (HMP) и наземной среды обитания Фонда (FSH). Кроме того, ЕКА планирует создать свою Лунную деревню, состоящую из нескольких элементов транспорта, энергетики и использования ресурсов на месте (ISRU).
У Китая и России также есть планы по созданию лунной среды обитания вокруг южного полюса Луны, известной как Международная лунная исследовательская станция (ILRS). Судя по многочисленным заявлениям, эта станция может включать в себя поверхностный элемент (возможно, в лавовой трубе), орбитальный элемент и другие элементы, аналогичные базовому лагерю Артемиды и Лунной деревне. За ними последуют и будут сопровождать коммерческие космические интересы, которые могут включать в себя добычу полезных ископаемых, добычу полезных ископаемых и даже туризм. И, конечно же, эти операции должны оставаться в контакте с центром управления полетами, пока Луна вращается вокруг Земли.
По мере ускорения освоения Луны, говорит Турышев, определение специальной шкалы лунного времени (LT) и луноцентрической системы отсчета координат (LCRS) становится все более важным. Поэтому он и его коллеги разработали шкалу TL, чтобы обеспечить точное хронометраж деятельности на Луне и вокруг нее. Их подход включает применение релятивистских принципов, используемых на Земле, и адаптацию их к среде Луны, в том числе:
Более слабая гравитация на Луне приводит к более быстрому ходу лунных часов, чем земных.
Движение Луны вокруг Земли и Солнца приводит к периодическим изменениям во времени.
Местные гравитационные аномалии, известные как масконы, тонко влияют на гравитационное поле Луны и, следовательно, на течение времени.
Места обитания сгруппированы на краю лунного кратера, известного как Лунная деревня. Кредит: ЕКА
«Наши результаты показывают, что лунное время опережает земное время примерно на 56 микросекунд в день, с дополнительными периодическими изменениями, вызванными орбитой Луны», — сказал Турышев. «Эти периодические колебания имеют амплитуду около 0,47 микросекунды и происходят в течение примерно 27,55 дней».
Чтобы получить эти преобразования, Турышев и его команда полагались на высокоточные данные миссии НАСА «Лаборатория гравитационного восстановления и внутренних процессов» (GRAIL), спутников-близнецов, которые изучали Луну в период с 2011 по 2021 год. Помимо картирования лунной поверхности, спутники-близнецы также нанес на карту гравитационное поле Луны в мельчайших деталях. Это было объединено с измерениями, проведенными в ходе экспериментов по лунной лазерной локации (LLR), которые измеряют расстояние Земля-Луна с точностью до миллиметра. Сказал Турышев:
«Используя эти данные, мы смоделировали гравитационный потенциал Луны и орбитальную динамику, обеспечив субнаносекундную точность результирующих временных преобразований. Для описания преобразований были введены ключевые константы, аналогичные тем, которые используются для земных систем времени. Наиболее критичными из этих ограничений являются:
ллкоторый представляет собой среднюю скорость временной трансформации между центром Луны и ее поверхностью, компенсируя объединенный гравитационный и вращательный потенциал на уровне селеноида.
лМаналогичный LB для Земли, компенсирует среднюю скорость преобразования времени между барицентрическим координатным временем (TCB) и лунным временем (TL).
лЧАСпредставляющая собой среднее значение полной орбитальной энергии Луны за долгое время при ее движении вокруг барицентра Солнечной системы. Он определяет разницу скоростей между TCB и временем луноцентрической системы координат (TCL) и включает вклады гравитационных взаимодействий с Солнцем и планетами.
лЭМкоторый представляет собой среднее значение полной орбитальной энергии Луны при ее движении вокруг Земли за долгое время, наблюдаемое с помощью Геоцентрической небесной системы отсчета (GCRS).
ПЭМкоторый объясняет периодические релятивистские поправки, возникающие из-за эллиптической орбиты Луны и гравитационных возмущений Солнца и планет, что приводит к зависящим от времени колебаниям.
«Эти преобразования составляют основу нашей высокоточной лунной системы измерения времени, которая имеет решающее значение для планирования и операций будущих миссий».
Визуализация ILRS из Руководства CNSA по партнерству (июнь 2021 г.). 1 кредит
Как установили Турышев и его коллеги в своей статье, существует множество причин, по которым создание единой системы лунного времени имеет важное значение для успеха миссии. К ним относятся:
Точная навигация и посадка: Благодаря многочисленным миссиям, нацеленным на поверхность Луны, от орбитальных аппаратов до посадочных аппаратов и вездеходов, синхронизация времени обеспечит точное позиционирование и снизит риск ошибок на критических этапах миссии.
Бесшовная связь: Координация действий между Землей, орбитальными аппаратами и лунными базами требует постоянной синхронизации времени, чтобы избежать задержек связи и обеспечить правильный порядок передачи данных.
Совместная наука: Общий стандарт времени позволяет нескольким миссиям, проводимым различными космическими агентствами и организациями, точно обмениваться и сравнивать данные, поддерживая крупномасштабные исследования лунной геологии, сейсмической активности и гравитационных аномалий.
Автономные операции: Поскольку лунные миссии становятся все сложнее и продолжительнее, специальная система лунного времени позволит базам и космическим кораблям работать независимо от Земли, уменьшая зависимость от земного измерения времени в периоды, когда Земля не видна.
Новые системы хронометража — одна из многих адаптаций, которые человечество должно сделать, чтобы стать межпланетным видом. Скоординированная система лунного времени будет приобретать все большее значение по мере того, как присутствие человечества на Луне будет расти и станет постоянным в этом столетии. Подобные меры необходимо будет принять, как только начнутся регулярные пилотируемые миссии на Марс, и эти усилия уже начались всерьез! Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с Марсианским координированным временем (MCT) и Дарианским календарем.
