На протяжении десятилетий слабое гравитационное притяжение Луны представляло сложную задачу — атомные часы на ее поверхности идут быстрее, чем на Земле, примерно на 56 микросекунд в день. Эта крайне малая разница может показаться незначительной, но она может нарушить точность, необходимую для важных действий, таких как посадка космических аппаратов и связь с Землей.

Теперь исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали план для точного хронометража на Луне, открывая путь к созданию навигационной системы, аналогичной GPS, для лунных исследований. Исследование, опубликованное в The Astronomical Journal, сосредоточено на определении теоретических основ и математических моделей, необходимых для создания системы лунного координатного времени.

Эта инновация имеет ключевое значение для амбициозной программы NASA «Артемида», которая нацелена на создание постоянного присутствия человека на Луне и может стать важным шагом на пути к освоению космоса.

GPS на Земле сильно зависит от точного хронометража. Каждый спутник в созвездии GPS оснащен атомными часами, которые синхронизированы с общим эталонным временем. Измеряя время, за которое сигналы от нескольких спутников достигают приемника, GPS может определить местоположение и время. Однако внедрение аналогичной системы на Луне и точное ее соотнесение с земной системой представляет собой уникальные трудности из-за эффектов теории относительности.

Теория относительности Эйнштейна утверждает, что гравитация влияет на течение времени. Время не течет одинаково для всех. Например, на Луне, где гравитация слабее, чем на Земле, часы идут немного быстрее. Кроме того, наблюдатель на Земле измеряет время немного иначе, чем наблюдатель на Луне, из-за ряда гравитационных эффектов, включая орбиту Луны вокруг Земли и орбиту Земли вокруг Солнца. Эти эффекты могут существенно повлиять на точность навигации и связи с течением времени.

Чтобы решить эту проблему, исследователи NIST создали систему для установления и реализации лунного времени, учитывающую уникальные гравитационные условия Луны. Эта система устанавливает новое эталонное «лунное время», которое служит временным стандартом специально для всей поверхности Луны, аналогично тому, как на Земле функционирует координированное всемирное время (UTC).

«Это как если бы вся Луна была синхронизирована в одну "часовую зону", скорректированную с учетом лунной гравитации, вместо того чтобы часы постепенно расходились во времени с земными», — сказал физик NIST Биджунат Патла.

«Эта работа закладывает основу для принятия навигационной и временной системы, аналогичной GPS, которая будет служить как для околоземных, так и для земных пользователей, для лунных исследований», — сказал физик NIST Нил Эшби.

Предлагаемая система будет первым шагом в разработке «лунной системы позиционирования», которая будет включать высокоточные сети часов в определенных местах на поверхности Луны и на лунных орбитах. Эти точные атомные часы на лунной орбите будут функционировать как «спутники» лунной GPS-сети, обеспечивая точные сигналы времени для навигации.

Точная навигация и позиционирование на Луне могут привести к более точным посадкам и более эффективному исследованию лунных ресурсов. Без этой «лунной GPS» посадка и работа на Луне были бы похожи на попытку навигации на Земле без какой-либо системы позиционирования — вы бы имели лишь приблизительное представление о своем местоположении, что крайне затруднило бы выполнение сложных операций или точные путешествия на большие расстояния.

«Цель состоит в том, чтобы гарантировать, что космические аппараты могут приземляться в пределах нескольких метров от своего запланированного места назначения», — сказал Патла.

Этот прорыв происходит на фоне возрождения интереса к лунным исследованиям во всем мире. Луна предлагает ценные научные сведения о формировании нашей Солнечной системы и содержит потенциальные ресурсы для будущих технологий, такие как водяной лед, гелий-3 и редкоземельные элементы, используемые в смартфонах и компьютерах.

Лунное координатное время может стать ключевым для более глубокого исследования космоса, так как хронометраж может оказаться важным для координации сложных миссий и создания межпланетной навигационной сети.

«Предлагаемая основа, лежащая в основе лунного координатного времени, может в конечном итоге позволить исследовать пространства за пределами Луны и даже нашей Солнечной системы», — сказал Патла. «Конечно, как только человечество разовьет способность для таких амбициозных миссий».