Czas na Marsie płynie inaczej. Dlaczego kolonizatorzy potrzebują nowego zegara?

Nowy etap eksploracji kosmosu zakłada tworzenie baz pozaziemskich. Te załogowe powstaną na Księżycu, a w przyszłości na Marsie. Na bazę bezzałogową typowany jest księżyc Jowisza Ganimedes. Niezależnie o jakim typie bazy mówimy, precyzyjne metody mierzenia czasu będą kluczowe dla zarządzania ośrodkami i systemami satelitarnymi.

Zaawansowanie prac nad czasem lunarnym

Trwają prace nad wprowadzeniem czasu lunarnego. W kwietniu 2024 roku Biały Dom wydał dyrektywę zobowiązującą NASA do opracowania Skoordynowanego Czasu Księżycowego (LTC) – odpowiednika ziemskiego UTC – jako oficjalnego standardu dla przyszłych misji księżycowych.

Według dyrektywy LTC powinno zostać opracowane do końca 2026 roku. System musi być wystarczająco precyzyjny do nawigacji i nauki. Co istotne musi być też samodzielny na wypadek utraty łączności z Ziemią oraz skalowalny na inne środowiska kosmiczne.

W tym samym roku Komitet ONZ ds. Globalnych Systemów Nawigacji Satelitarnej (ICG) powołał specjalną grupę roboczą zajmującą się standaryzacją czasu księżycowego i jego powiązaniem z UTC.

Jest to o tyle istotne, że zegary księżycowe zyskują około 58,7 mikrosekundy na dobę. Co więcej, wartość ta może się różnić w zależności od wysokości i długości geograficznej miejsca na Księżycu.

Marsjańska Efemeryda Czasu

W przypadku Marsa zegar atomowy znajdujący się na jego powierzchni operuje w nieco płytszej „studni grawitacyjnej” niż na Ziemi. Oznacza to, że czas płynie tam odrobinę szybciej. Właśnie dlatego jeśli chcemy zwiększyć naszą obecność technologiczną, a w przyszłości załogową na Czerwonej Planecie będziemy potrzebowali standaryzacji pomiaru czasu.

Tematowi przyjrzał się dr Slava Turyshev, badacz z Jet Propulsion Laboratory Centrum NASA. W swojej pracy opublikowanej w serwisie ArXiv przedstawił matematyczny pomost prowadzący od zegarka astronauty na Marsie aż do środka masy całego Układu Słonecznego.

Analizy wiązały się z przedstawieniem możliwych rozwiązań i matematycznych procedur niezbędnych do stworzenia Marsjańskiej Efemerydy Czasu (Mars Time Ephemeris). Choć może minąć jeszcze sporo czasu, zanim będziemy potrzebowali tak zaawansowanego systemu, lepiej rozpocząć jego opracowywanie już teraz niż zmagać się z problemem dopiero wtedy, gdy błędne rozumienie czasu doprowadzi do awarii całego systemu.

Co wpływa na pomiar czasu marsjańskiego?

Dr Slava Turyshev zwrócił uwagę na to, że żadna metoda pomiaru czasu nie jest doskonała. Różne zjawiska fizyczne – duże i małe – mogą mieć (choćby minimalny) wpływ na upływ czasu mierzony przez zegar.

Aby uwzględnić ten fakt, dr Turyshev pomija efekty zmieniające wskazania zegara o mniej niż 5 × 10⁻¹⁸, czyli powodujące skumulowany błąd mniejszy niż 0,1 pikosekundy. To niewyobrażalny poziom precyzji – dla porównania jest to czas, w którym światło, najszybsza rzecz we Wszechświecie, pokonuje zaledwie 0,03 milimetra.

Następnie rozszerza swoje obliczenia na różne obszary wokół Marsa, prezentując możliwości nowego systemu. Przykładowo marsjański satelita znajdujący się na niskiej orbicie marsjańskiej (Low Mars Orbit) – odpowiedniku niskiej orbity okołoziemskiej – będzie miał zegar chodzący o 4,56 mikrosekundy na dobę wolniej niż zegar stojący na powierzchni Marsa. Wynika to z bardzo dużej prędkości orbitalnej potrzebnej do utrzymania wysokości około 300 km. Choć wydaje się to nieistotne, w długim okresie związanym z kolonizacją takie różnice zaczynają się kumulować.

Jeszcze silniej widać to w przypadku statków umieszczonych na orbicie areostacjonarnej. Tam mniejsze prędkości orbitalne i słabszy wpływ grawitacji Marsa sprawiają, że zegary pokładowe tykają o 9,13 mikrosekundy na dobę szybciej.

Największym wyzwaniem są jednak silnie eliptyczne orbity przekaźnikowe. Obiekty na takich orbitach zbliżają się do biegunów planety, po czym oddalają się głęboko w przestrzeń kosmiczną. Tradycyjne metody odmierzania czasu nie sprawdzają się w tym przypadku – naukowcy i inżynierowie muszą uwzględniać tzw. czas własny statku kosmicznego na każdym etapie jego lotu.

Relatywistyczny zegar atomowy

Jednym z najciekawszych aspektów pracy jest pokazanie wpływu samego Marsa na lokalne zmiany grawitacji. Dr Turyshev wykorzystał model pola grawitacyjnego GMM-3, aby uwzględnić relatywistyczne przesunięcia czasu wynikające z nierównej topografii planety. Na przykład równikowe wybrzuszenie Marsa powoduje okresowy sygnał czasowy o amplitudzie około 87 pikosekund dla satelity lecącego nisko nad powierzchnią.

Ważną kwestią jest również mocno eliptyczna orbita, po której Czerwona Planeta okrąża Słońce. Gdy Mars znajduje się w peryhelium (najbliżej Słońca), pływowe oddziaływanie słoneczne jeszcze bardziej deformuje czasoprzestrzeń wokół niej. Wymaga to bardzo dokładnych obliczeń punkt po punkcie, aby uniknąć błędów nawigacyjnych zarówno łazików, jak i satelitów.

Nawet stosunkowo niewielkie przyciąganie grawitacyjne księżyców Marsa – Phobos i Deimos – musi być uwzględniane, jeśli statek kosmiczny znajdzie się dostatecznie blisko któregoś z nich. Dr Turyshev pokazuje również wpływ pogody marsjańskiej na precyzyjne pomiary.

To wszystko pokazuje, jak skomplikowane jest zbudowanie relatywistycznego zegara atomowego, uwzględniającego grawitacyjną i prędkościową dylatację czasu wynikającą bezpośrednio z ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Prace nad LTC prowadzone przez dr Turysheva to ważny krok w tym kierunku.

Źródło: Universe Today, Arxiv

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.