Будущим колонистам Марса понадобятся новые релятивистские часы

Мы рассматриваем атомные часы как окончательных хранителей времени. Они известны своей точностью до пикосекунды. К сожалению, они все еще подвержены общей теории относительности, поэтому, если вы поместите их на другую планету, они будут отслеживать время немного быстрее или медленнее, чем на Земле, в зависимости от гравитации планеты. В случае Марса атомные часы на его поверхности находятся в несколько более мелкой гравитационной яме, что означает, что время движется там немного быстрее. Поэтому, когда мы начнем расширять наш технологический след на Красной Планете, нам потребуется способ стандартизировать, как там измеряется время. Доктор Слава Турышев, исследователь Лаборатории реактивного движения NASA, предлагает именно такую структуру в новой статье, доступной в препринте на arXiv.

Он вводит то, что называет Ареоцентрическим Координатным Временем (TCA) - марсианским эквивалентом Геоцентрического Координатного Времени (TCG) и его французского акронима. Привязывая отсчет времени на Марсе к Барицентрической Системе Небесных Координат / Барицентрическому Координатному Времени (BCRS/TCB), стандартизированной Международным астрономическим союзом (IAU), эта новая статья устанавливает математическую цепочку от наручных часов астронавта на Марсе до центра Солнечной системы.

Однако ни один метод отсчета времени не является на 100% идеальным. Физические эффекты всех форм и размеров могут оказывать (хотя и незначительное) влияние на восприятие времени часами. Чтобы учесть это, доктор Турышев игнорирует эффекты, которые изменяют время часов менее чем на 5x10^-18, или на накопленную ошибку в 0.1 пикосекунды. Это абсурдный уровень точности - чтобы проиллюстрировать, это время, которое требуется свету, самому быстрому объекту во Вселенной, чтобы пройти 0.03 миллиметра.

Экстраполируя это на разные области вокруг Марса, мы видим мощь этой новой структуры. Спутник, работающий на Низкой Марсианской Орбите (аналог Низкой Земной Орбиты, где сейчас находятся многие наши коммуникационные спутники), будет иметь часы, которые работают на 4.56 микросекунды в день медленнее, чем часы на поверхности Марса, из-за экстремальной орбитальной скорости, необходимой для поддержания их высоты 300 км. Хотя это может показаться несущественным в краткосрочной перспективе, в долгосрочной перспективе любой колонизационной попытки эти числа начинают складываться.

Космические аппараты, находящиеся еще дальше, такие как в Ареостацинарной Орбите, благодаря более медленным орбитальным скоростям и уменьшенной гравитации от самой планеты позволяют часам на борту этих космических аппаратов тикать быстрее на 9.13 микросекунд каждый день. Но настоящая проблема при расчете временных различий заключается в сильно эллиптических релейных орбитах. Эти орбиты, которые обычно содержат системы, такие как коммуникационные реле, приближаются к полюсам планеты и затем уходят далеко в глубокий космос. Использование традиционных методов отсчета времени на них просто не работает - ученым и инженерам, надеющимся поддерживать точное время в такой орбите, необходимо учитывать собственное время космического аппарата на каждом этапе его орбиты.

Но, возможно, самым интересным нюансом в статье является влияние самого Марса на гравитацию. Доктор Турышев использует модель гравитационного поля GMM-3, чтобы зафиксировать релятивистские изменения времени из-за неровной топографии планеты. Например, экваториальное выпячивание вокруг середины Марса вводит периодическую временную подпись примерно 87 пикосекунд для спутника на низкой высоте, пересекающего его путь.

Орбита Марса также влияет на его гравитацию, а следовательно, и на время, которое испытывается на нем и вокруг него. У него очень эксцентричная орбита, и когда он достигает перигелия, квадрупольный прилив Солнца, который растягивает пространство вокруг планеты, становится еще более выраженным, требуя точных расчетов, чтобы предотвратить навигационные ошибки для роверов и спутников. Даже относительно небольшое гравитационное притяжение Фобоса и Деймоса должно учитываться, если космический аппарат приближается слишком близко к одному из марсианских спутников.

Погода является окончательным арбитром марсианского отсчета времени. На Марсе существует массивный цикл углекислого газа, где CO2 замерзает зимой и откладывается на полярные ледяные шапки, а затем сублимируется летом и возвращается в атмосферу. Эта массивная сезонная миграция газа на самом деле изменяет гравитационное поле планеты, снова влияя на расчет времени в различных регионах. К сожалению, по словам доктора Турышева, мы не знаем достаточно о этих сезонных изменениях, чтобы точно учитывать их в наших усилиях по отсчету времени, поэтому, по крайней мере на данный момент, истинный массив точного времени на Марсе остается невозможным.

Создание такого массива никогда не было целью статьи. Она была предназначена для того, чтобы обозначить некоторые варианты и предоставить математические рабочие процессы для создания Эфемерид Марсианского Времени. Хотя может пройти еще некоторое время, прежде чем нам действительно понадобятся возможности, которые даст нам такая структура, лучше начать сейчас, чем столкнуться с этим только после того, как несоответствие в понимании времени приведет к сбою системы - удачи в объяснении этой ошибки финансистам миссии.