Майбутнім колоністам Марса знадобиться новий релятивістський годинник

Ми вважаємо атомні годинники визначними вимірювачами часу. Вони відомі своєю точністю до пісконеділі. На жаль, вони все ще підлягають загальній теорії відносності, тому, якщо ви помістите їх на іншу планету, вони будуть відстежувати час трохи швидше або повільніше, ніж на Землі, залежно від гравітації планети. У випадку Марса атомний годинник на його поверхні знаходиться в трохи менш глибокій гравітаційній ямі, що означає, що час там проходить трохи швидше. Тому, коли ми почнемо розширювати наш технологічний слід на Червоній планеті, нам знадобиться спосіб стандартизувати, як вимірюється час там. Доктор Слава Туришев, дослідник Лабораторії реактивного руху NASA, пропонує саме таку структуру у новій статті, доступній в препринті на arXiv.

Він вводить те, що називає Ареоцентричним координатним часом (TCA) - марсіанським еквівалентом Геоцентричного координатного часу (TCG) та його французького похідного акроніму. Закріплюючи вимірювання часу на Марсі в рамках Барицентричної небесної референтної системи / Барицентричного координатного часу (BCRS/TCB), яка стандартизована Міжнародним астрономічним союзом (IAU), ця нова стаття встановила математичний канал від годинника астронавта на Марсі до центру Сонячної системи.

Проте жоден метод вимірювання часу не є 100% досконалим. Фізичні ефекти всіх форм і розмірів можуть мати (хоча й мізерний) вплив на сприйняття часу годинником. Щоб врахувати це, доктор Туришев ігнорує ефекти, які змінюють час годинника менше ніж на 5x10^-18, або накопичену помилку в 0.1 пісконеділі. Це абсурдний рівень точності - щоб зрозуміти, скільки це, саме стільки часу потрібно світлу, найшвидшій речі у всесвіті, щоб пройти 0.03 міліметра.

Екстраполюючи це на різні області навколо Марса, ми бачимо силу цієї нової структури. Супутник, що працює на низькій орбіті Марса (еквівалент низькій орбіті Землі, де зараз розташовані багато наших комунікаційних супутників), матиме годинник, який працює на 4.56 мікросекунди на день повільніше, ніж той, що знаходиться на поверхні Марса, через екстремальну орбітальну швидкість, необхідну для підтримки їхньої висоти 300 км. Хоча це може здаватися незначним у короткостроковій перспективі, у довгостроковій перспективі будь-якої колонізаційної діяльності ці цифри починають накопичуватися.

Космічні апарати, які знаходяться ще далі, наприклад, в Ареостацінарній орбіті, повільніші орбітальні швидкості та зменшена гравітація від самої планети дозволяють годинникам на борту цих космічних апаратів тикати швидше на 9.13 мікросекунд щодня. Але справжня проблема для розрахунку часових різниць полягає у високоеліптичних релейних орбітах. Ці орбіти, які зазвичай містять системи, такі як комунікаційні реле, проходять близько до полюсів планети, а потім віддаляються в глибокий космос. Використання традиційних методів вимірювання часу на таких орбітах просто не працює - вчені та інженери, які сподіваються підтримувати точний час на такій орбіті, повинні враховувати правильний час космічного апарата на кожному етапі його орбіти.

Але, можливо, найцікавіша нюанс у статті демонструє вплив самого Марса на гравітацію. Доктор Туришев використовує модель гравітаційного поля GMM-3, щоб зафіксувати релятивістські зміни часу через нерівномірну топографію планети. Наприклад, екваторіальне випинання навколо середини Марса вводить періодичний часовий підпис близько 87 пісконеділ для супутника на низькій орбіті, що перетинає його шлях.

Орбіта Марса також має вплив на його гравітацію, а отже, і на час, який відчувається на ньому та навколо нього. Вона має високоексцентричну орбіту, і коли вона досягає перигелію, квадрупольна припливна сила Сонця, яка розтягує простір навколо планети, стає ще більш вираженою, що вимагає точкових розрахунків, щоб запобігти навігаційним помилкам для роверів та супутників. Навіть відносно невеликий гравітаційний вплив Фобоса та Деймоса повинен бути врахований, якщо космічний апарат наближається занадто близько до одного з марсіанських місяців.

Однак погода є остаточним арбітром марсіанського вимірювання часу. На Марсі існує масивний цикл вуглекислого газу, де CO2 замерзає взимку і відкладається на полярних льодових шапках, а потім сублімує влітку і знову потрапляє в атмосферу. Ця масивна сезонна міграція газу насправді змінює гравітаційне поле планети, знову впливаючи на розрахунок часу в різних регіонах. На жаль, за словами доктора Туришева, ми не знаємо достатньо про ці сезонні зміни, щоб точно врахувати їх у наших зусиллях з вимірювання часу, тому, принаймні поки що, справжня точність вимірювання часу на Марсі залишається неможливою.

Створення такого масиву ніколи не було метою статті. Вона була призначена для опису деяких виборів і надання математичних робочих процесів для створення Ефемерид часу на Марсі. Хоча може пройти деякий час, перш ніж нам насправді знадобляться можливості, які надасть така структура, краще почати зараз, ніж зрозуміти це лише після того, як невідповідність у розумінні часу призведе до збою системи - удачі в поясненні цієї помилки фінансистам місії.