Onderzoekers hebben een manier gevonden om de klokken op aarde en de maan synchroon te houden

Timing is tegenwoordig alles. Communicatienetwerken en mondiale positioneringssystemen zijn allemaal afhankelijk van het nauwkeurig volgen van de precieze timing van signalen – inclusief het rekening houden met de effecten van relativiteit. Hoe dieper je in de zwaartekracht duikt, hoe langzamer de tijd gaat, en we hebben het punt bereikt waarop we verschillen in de hoogten van de planeten kunnen detecteren. Eén millimeterDe tijd stroomt sneller op de hoogte waarop GPS-satellieten zich bevinden dan met klokken op het aardoppervlak. Wat de zaken ingewikkelder maakt, is dat deze satellieten met hoge snelheid bewegen, een effect dat de zaken vertraagt.

Dit is relatief eenvoudig uit te leggen op aarde, waar we te maken hebben met een enkele reeks aanpassingen die kunnen worden geprogrammeerd in de elektronische apparaten die deze dingen moeten volgen. Maar er zijn plannen om een ​​groot aantal instrumenten naar de maan te sturen, die een veel lager zwaartekrachtveld heeft (snellere klokken!), wat betekent dat objecten in een baan om de aarde kunnen blijven ondanks dat ze langzaam bewegen (snellere klokken ook!).

Het zou gemakkelijk zijn om een ​​soortgelijk systeem te creëren voor het bijhouden van de tijd op de maan, maar dit zou er onvermijdelijk voor zorgen dat de klokken niet meer synchroon lopen met die op aarde – een ernstig probleem voor zaken als wetenschappelijke observaties. Daarom de Internationale Astronomische Unie Hij heeft een besluit Dit vereist een “maan-hemelreferentiesysteem” en “maancoördinaattijd” om de zaken daar af te handelen. Maandag hebben twee onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology, Neil Ashby en Bijunath Patla, een berekening uitgevoerd om te laten zien hoe dit werkt.

Houd de tijd bij

We bereiden ons voor om de maan te verkennen. Als alles goed gaat, zullen China en een door de VS geleide coalitie verschillende onbemande missies sturen, wat zou kunnen leiden tot een permanente menselijke aanwezigheid. We zullen een steeds groter aantal apparaten en uiteindelijk faciliteiten op de maan hebben. Voor de Apollo-missies was het voldoende om een ​​paar items tegelijk te volgen, maar toekomstige missies moeten mogelijk op precieze locaties landen en zich misschien daartussen verplaatsen. Dit maakt het equivalent van een maan-GPS waardevol, merkt het National Institute of Standards and Technology op in zijn rapport uit 2011. Zijn persbericht Vacature.

Het is mogelijk dat dit allemaal kan worden afgehandeld door een onafhankelijk maanpositioneringssysteem, als we bereid zijn te accepteren dat het beweegt volgens zijn eigen tijdritme. Maar dit zal een probleem worden als we uiteindelijk dingen gaan doen zoals astronomie vanaf de maan, waarbij de precieze timing van de gebeurtenissen cruciaal zal zijn. Het toestaan ​​van twee afzonderlijke systemen betekent ook dat alle tijdregistratiesystemen aan boord van de voertuigen moeten worden omgeschakeld terwijl ze tussen de twee reizen.

Er is een theorie ontwikkeld die bepaalt hoe de creatie van één enkel systeem benaderd moet worden. Maar de praktische toepassing hiervan wordt overgelaten aan toekomstige onderzoekers. Maar het is duidelijk dat de toekomst nu is.

Ashby en Patla ontwikkelden een systeem waarmee alles kon worden berekend op basis van het massamiddelpunt van het aarde-maansysteem. Of zoals ze het in de krant stellen: hun wiskundige systeem “stelt ons in staat de maankloksnelheden en maan Lagrange-punten te vergelijken met klokken op aarde met behulp van een maatstaf die geschikt is voor een lokaal vrije val-frame, zoals het massamiddelpunt van de aarde. -Maansysteem in het zwaartekrachtveld van de zon.”

Hoe ziet dit eruit? Er zijn veel afgeleide vergelijkingen. De tekst van het artikel bevat 55 vergelijkingen, en er zijn nog 67 vergelijkingen in de bijlagen. Een groot deel van het papier ziet er dus zo uit.

Dingen worden ingewikkeld omdat er veel factoren zijn waarmee rekening moet worden gehouden. Er zijn getijdeneffecten van de zon en andere planeten. Alles op het aardoppervlak of de maan beweegt als gevolg van rotatie; Andere objecten bewegen terwijl ze zich in een baan om de aarde bevinden. Het zwaartekrachteffect op de tijd hangt af van waar het object zich bevindt. Er is dus veel om bij te houden.

Veilige toekomst

Ashby en Batla hoeven niet onder alle omstandigheden met alles rekening te houden. Sommige van deze factoren zijn zo klein dat ze alleen kunnen worden gedetecteerd met een horloge met zeer hoge precisie. Andere factoren hebben de neiging elkaar op te heffen. Met behulp van hun systeem konden we echter berekenen dat een object nabij het maanoppervlak elke dag 56 microseconden extra zou vastleggen, wat een probleem is in situaties waarin we zouden kunnen vertrouwen op het meten van de tijd met nanosecondenprecisie.

De onderzoekers zeggen dat hun aanpak, hoewel gericht op het aarde-maansysteem, nog steeds generaliseerbaar is. Dit betekent dat het kan worden aangepast en een referentiekader kan creëren dat op aarde en waar dan ook in het zonnestelsel kan werken. Wat, gezien de snelheid waarmee we dingen voorbij een lage baan om de aarde hebben gestuurd, waarschijnlijk een gezonde hoeveelheid voorbereiding op de toekomst is.

Het Astronomical Journal, 2024. DOI: 10.3847/1538-3881/ad643a (Over DOI’s).