Колко е часът на Луната?


Пълна луна, заснета от Lunar Reconnaissance Orbiter на НАСА.

учени и космически агенции все още не са се съгласили как да определят лунното време.Кредит: НАСА Годард

Следващото десетилетие ще видим възраждане на изследването на Луната – включително десетки мисии и планове за създаване на постоянни бази на Луната. Начинанията поставят безброй предизвикателства. Сред тях е фин, но основен въпрос, на който метролозите по целия свят работят, за да отговорят: колко е часът на Луната?

„Тъкмо започваме да излагаме това“, казва Шерил Грамлинг, аерокосмически инженер, който ръководи екипа за позициониране, навигация и синхронизация в Центъра за космически полети Годард на НАСА в Грийнбелт, Мериленд.

В момента Луната няма независимо време. Всяка лунна мисия използва своя собствена времева скала, която е свързана чрез своите манипулатори на Земята с координирано универсално време, или утc — стандартът, спрямо който са настроени часовниците на планетата. Но този метод е сравнително неточен и космическите кораби, които изследват Луната, не синхронизират времето един с друг. Подходът работи, когато Луната е домакин на шепа независими мисии, но ще бъде проблем, когато има няколко кораба, работещи заедно. Космическите агенции също ще искат да ги проследяват с помощта на сателитна навигация, която разчита на точни сигнали за време.

Не е очевидно каква форма ще приеме универсалното лунно време. Часовниците на Земята и Луната естествено тиктакат с различна скорост, поради различните гравитационни полета на двете тела. Официалното лунно време може да се основава на часовникова система, предназначена да се синхронизира с utcили може да е независимо от земното време.

Представители на космически агенции и академични организации по света се срещнаха през ноември 2022 г., за да започнат да изготвят препоръки как да се дефинира лунното време в Европейския център за космически изследвания и технологии на Европейската космическа агенция (ESA) в Нордвейк, Холандия.

Решенията трябва да се вземат скоро, казва Патриция Тавела, която ръководи отдела за време в Международното бюро за мерки и теглилки в Севър, Франция. Ако не бъде установено официално лунно време, космическите агенции и частните компании ще измислят свои собствени решения, казва тя. „Ето защо искаме да предупредим сега, казвайки, че нека работим заедно, за да вземем общо решение.“

Проследяване на сателити

Най-належащата нужда от лунно време идва от плановете за създаване на специална глобална сателитна навигационна система (GNSS) за Луната, подобно на начина, по който GPS и други сателитни навигационни мрежи позволяват прецизно проследяване на местоположението на Земята. Космическите агенции планират да инсталират този лунен GNSS от около 2030 г. ESA одобри проект за лунна сателитна навигация, наречен Moonlight, на срещата на министерския съвет на 22 и 23 ноември 2022 г. в Париж, а НАСА създаде подобен проект, наречен Lunar Communications Relay and Navigation Systems, миналия януари.

Досега мисиите на Луната са определяли местоположението си с помощта на радиосигнали, изпратени до големи антени на Земята в определени часове. Но с десетки планирани мисии, „просто няма достатъчно ресурси, за да покрием всички“, казва Джоел Паркър, инженер, който работи по лунната навигация в Goddard Center.

Satnav на Луната: Диаграма, показваща четирите спътника, обикалящи около Луната, и космически кораб и комуникационна кула на повърхността.

Кредит за изображение: НАСА.

Като първа стъпка от 2024 г. ESA и NASA ще изпробват извличане на позиции на Луната с помощта на слаби сателитни навигационни сигнали от базирани на Земята кораби. След това проектите за лунна GNSS планират да поставят специални сателити около Луната, всеки от които да има свой собствен атомен часовник. След това приемник, например на повърхността на Луната, ще триангулира позицията си, като използва времето, необходимо на сателитните сигнали да достигнат до нея. ESA е планирала първоначално съзвездие от четири космически кораба, които ще покриват навигацията на лунния южен полюс, който съдържа голяма част от водата на Луната и е важна цел за изследване, казва Йорг Хан, инженер, работещ по проекта Moonlight на ESA.

Лунните мисии също ще се нуждаят от официално лунно време, за да си сътрудничат и да комуникират, казва Хан. „Всичко това трябва да се проследи до един вид времева референция, в противен случай имате хаос и нещата не работят заедно.“

Друг открит въпрос, казва Хан, е дали астронавтите биха използвали универсалното лунно време навсякъде на Луната. Въпреки че лунното време ще остане официалната времева скала, потребителите му може, както на Земята, да искат да го компенсират в часови зони, които са свързани с позицията на Слънцето в небето. Това е по-малко въпрос за метролозите, а по-скоро конвенционален. „Когато някой наистина живее там на Луната, мисля, че има смисъл“, казва той.

Характеризиращо време

Определянето на лунното време не е просто. Въпреки че дефиницията на секундата е една и съща навсякъде, специалната теория на относителността диктува, че часовниците тиктакат по-бавно при по-силни гравитационни полета. Гравитационното привличане на Луната е по-слабо от това на Земята, което означава, че за наблюдател на Земята лунният часовник би работил по-бързо от земния. Грамлинг изчислява, че лунен часовник би спечелил около 56 микросекунди за 24 часа. В сравнение с тази на Земята, скоростта на часовника също би се променила леко в зависимост от позицията му на лунната повърхност, поради въртенето на Луната, казва Тавела. „Това е рай за експертите по теория на относителността, защото трябва да вземете предвид толкова много неща“, добавя тя.

Определянето на лунен стандарт, с който се сравняват всички часовници, ще включва инсталирането на поне три главни часовника, които тиктакат с естественото темпо на Луната и чийто изход се комбинира от алгоритъм за генериране на по-точен „виртуален“ часовник.

Какво ще се случи след това зависи от избора на метролозите. Може да решат да базират лунното време utc. В този случай това виртуално лунно време ще се синхронизира редовно със земното utc. Между проверките главните лунни часовници продължават да отбелязват времето до следващото синхронизиране. Това има предимството, че е лесно за взаимодействие с потребителите на Земята.

Как да създадете лунен часовник: Диаграма, показваща три атомни часовника на луната, които могат да се използват за определяне на лунното време.

Кредит за изображение: НАСА

Алтернативата би била да се използва синтезираната продукция на лунните атомни часовници като независимо, непрекъснато време на Луната и да се проследи връзката му с utc. По този начин, дори ако връзката със Земята бъде загубена, часовниците на Луната пак ще се съгласуват един с друг и ще позволят безопасна навигация и комуникации, казва Грамлинг. Установяването на независимо време е модел, който ще работи и за по-отдалечените планети, към които космическите агенции в крайна сметка са насочени, като Марс. Предавателна utc там ще бъде по-сложно, отколкото до Луната, добавя тя.

В този сценарий дните на Луната дори биха могли да бъдат дефинирани по различен начин от тези на Земята, за да се отчете времето от слънчевия обяд до слънчевия обяд, което отнема средно 29,5 земни дни. Земните дни винаги ще имат значение за астронавтите, като се има предвид човешката нужда от сън в рамките на приблизително 24-часов цикъл. Но определението е нещо, за което метролозите трябва да се споразумеят.

Метролозите също ще трябва да решат къде на Луната да поставят главните часовници. Както на Земята, надморската височина на устройствата ще повлияе на скоростта на тиктакане. Часовниците може да са в лунна орбита или на повърхността, казва Хан. „Това е, което обсъждаме в момента с нашите колеги от НАСА.“

Космическите агенции също обмислят други необходими стандарти – като например кои карти на лунния терен и координатни системи да се използват за навигация – чрез Консултативната група за междуведомствени операции, съвет на националните космически агенции и Международния комитет на ООН за GNSS. За да се направят системите на различни страни оперативно съвместими, референтните системи ще трябва да бъдат договорени на международно ниво, казва Грамлинг.

С помощта на ESA НАСА разработва рамка, наречена LunaNet, за която се надява да получи международна подкрепа. LunaNet се състои от набор от правила, които биха позволили на всички лунни сателитни навигационни, комуникационни и компютърни системи да формират една единствена мрежа, подобна на интернет, независимо коя нация ги инсталира. Настройването на лунното време е част от много по-голяма картина.

„Идеята е да създадем интернет на Слънчевата система“, казва Грамлинг. „И първата част ще бъде на Луната.“