W ubiegłym roku, wraz ze startem misji Artemis 1, rozpoczął się długo zapowiadany powrót ludzkości na Księżyc. Program Artemis ma doprowadzić do stałej obecności ludzi na orbicie Księżyca i na jego powierzchni. Wokół naszego naturalnego satelity ma krążyć stacja orbitalna, analogiczna do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Natomiast na powierzchni Księżyca, w pobliżu południowego bieguna, ma powstać baza załogowa.
Docelowo ludzie i roboty mają pracować wspólnie nad rozwojem technologii niezbędnych do eksploracji dalszych obszarów Układu Słonecznego. Projekty związane z programem Artemis są już bardzo zaawansowane i wygląda na to, że technologicznie ludzkość poradzi sobie z projektem. Ale jeśli chcemy mieć bazę na Księżycu, a także system nawigacji satelitarnej dla ludzi i łazików, potrzebujemy czasu. Czasu księżycowego.
Jak się określa czas na Ziemi?
Dlaczego nie możemy używać na Księżycu uniwersalnego czasu ziemskiego?
– Standardem czasu powszechnie stosowanym na Ziemi jest czas uniwersalny koordynowany (ang. Universal Coordinated Time, UTC). Uwzględnia on nieregularność ruchu obrotowego Ziemi i jest koordynowany względem czasu słonecznego (czas słoneczny wynika bezpośrednio z pozycji Słońca na niebie). W praktyce czas UTC jest ustalany na podstawie międzynarodowego czasu atomowego (fr. Temps Atomique International, TAI). Ten z kolei jest wyznaczany poprzez uśrednienie czasu mierzonego przez wiele bardzo dokładnych zegarów atomowych – tłumaczy mgr inż. Justyna Śliwińska z Zakładu Geodezji Planetarnej Centrum Badań Kosmicznych PAN.
Uczona dodaje, że nieregularności prędkości ruchu obrotowego Ziemi są w UTC uwzględnianie poprzez dodawanie co pewien czas tzw. sekundy przestępnej. Jest to konieczne, aby różnica między czasem wyznaczonym na podstawie wskazań zegarów atomowych a czasem słonecznym w żadnym momencie nie przekroczyła jednej sekundy.
Jak zmienia się czas w kosmosie
– Należy pamiętać, że pole grawitacyjne spowalnia wskazania zegarów. Zatem zegar umieszczony np. w przestrzeni kosmicznej lub na powierzchni Księżyca, który ma znacznie słabsze pole grawitacyjne niż Ziemia, będzie chodził szybciej niż zegar na powierzchni Ziemi. Co więcej, bieg zegara poruszającego się względem obserwatora będzie wolniejszy niż bieg tego samego zegara znajdującego się w spoczynku względem obserwatora – wyjaśnia Justyna Śliwińska.
– Z tego wynika, że wskazania zegarów znajdujących się na orbicie, np. na pokładzie satelity krążącego wokół Księżyca, będą inne niż wskazania zegarów zlokalizowanych na jego powierzchni. W związku z tymi dwoma efektami, czas stosowany na Ziemi i wyznaczony na podstawie wskazań zegarów znajdujących się na jej powierzchni i uwzględniający nieregularności w ruchu obrotowym Ziemi, nie powinien być stosowany na Księżycu – dodaje.
Na Księżycu czas płynie szybciej
Historycznie rzecz biorąc, każda misja, która udała się na Księżyc, wykorzystywała zegary atomowe na Ziemi, synchronizując swój czas w kosmosie z tym na Ziemi. Innymi słowy – astronauci uzyskiwali informację o czasie z ośrodka kontroli lotu w Houston. I to nawet, jeśli mieli ze sobą własne zegarki. Siły grawitacji i prędkości obrotowej są różne na Ziemi i Księżycu, a są to parametry bezpośrednio wpływające wskazania czasomierzów.
W praktyce oznacza to, że gdyby księżycowy astronauta przywiózł ze sobą zegarek z Ziemi, działałby on szybciej niż normalnie o kilkadziesiąt mikrosekund dziennie. To, jak szybko, zależy od tego, czy astronauta znajdowałby się na orbicie, czy stał bezpośrednio na samej powierzchni Księżyca.
Powstanie księżycowa strefa czasowa
Na niedawnym spotkaniu w Holandii członkowie organizacji kosmicznych z całego świata zgodzili się, że konieczne jest wdrożenie księżycowej strefy czasowej. Ma być ona wykorzystywana przez wszystkie przyszłe misje księżycowe do komunikacji i nawigacji.
Wspólne uzgodnienia mają doprowadzić do zbudowania LunaNet, czyli czegoś na wzór księżycowego internetu satelitarnego. Projekt, za który odpowiada Space Communications and Navigation (SCaN) NASA, ma zapewnić użytkownikom cztery usługi:
- networking,
- pozycjonowanie,
- nawigację,
- czas.
Ale jak wyznaczyć czas na innym ciele niebieskim?
Dzień na Księżycu trwa prawie miesiąc
Nasz ziemski czas ma bezpośredni związek m.in. z ruchem obrotowym planety. Wiedząc, że czas pełnego jej obrotu o 360 stopni wynosi 24 godziny (1440 minut), możemy łatwo wyliczyć, że obrót o 15 stopni trwa 1 godzinę (60 minut), a o 1 stopień – 4 minuty. Z tej zależności wynika identyczna różnica czasu słonecznego – według położenia punktów na określonej długości geograficznej.
Należy też zauważyć, że czas obrotu Księżyca wokół własnej osi i czas jego obiegu wokół Ziemi jest taki sam. Dlatego będąc na Ziemi widzimy cały czas tę samą jego stronę.
– Księżyc potrzebuje 27 ziemskich dni, 7 godzin, 43 minut i 11 sekund, aby wykonać pełen obrót wokół własnej osi i pełen obieg wokół Ziemi. Jednak dzień księżycowy, czyli okres pomiędzy dwoma południami słonecznymi na Księżycu, nie trwa tyle samo. Ze względu na to, że układ Ziemia-Księżyc porusza się wokół Słońca w tym samym czasie, co Księżyc wokół Ziemi i wokół własnej osi, potrzeba dodatkowych ok. 2 dni i 5 godzi godzin ziemskich, aby Księżyc znalazł się w tej samej pozycji względem Słońca. Zatem dzień na Księżycu trwa 29 dni, 12 godzin, 44 minuty i 3 sekundy ziemskie – mówi Justyna Śliwińska.
Właśnie to stanie się podstawą do stworzenia uniwersalnego czasu księżycowego. Prawdopodobnie powstaną też księżycowe strefy czasowe, podobnie jak na Ziemi. Nad szczegółami wciąż pracują eksperci z agencji kosmicznych.
– Eksploracja kosmosu szła ręka w rękę z rozwojem precyzyjnych metod mierzenia czasu i dopracowywania modeli geodezyjnych. Utworzenie stref czasowych na Księżycu i zbudowanie na ich podstawie internetu oraz systemu nawigacji satelitarnej będzie demonstracją tego, czego już się nauczyliśmy – powiedział na spotkaniu Javier Ventura-Traveset, koordynator programu LunaNet z ramienia ESA.
