Зачем нужно универсальное лунное время, если уже есть земное

Сейчас на Луне нет универсального времени. Каждая лунная миссия использует свою собственную временную шкалу, которая связана с универсальным координированным временем на Земле, или UTC. Это стандарт, по которому устанавливаются все часы планеты. Этот метод работает, когда на Луне проводится несколько независимых миссий, но когда несколько кораблей работают вместе, неизбежно возникают временные расхождения.

Все еще неясно, какую форму примет универсальное лунное время. Часы на Земле и Луне, естественно, идут с разной скоростью из-за разницы гравитации. Официальное лунное время может основываться на системе часов, предназначенной для синхронизации с UTC, а может быть независимым от земного времени.

Патриция Тавелла, руководитель отдела времени Международного бюро мер и весов в Севре, Франция сказала журналу Nature: если официальное лунное время не будет установлено, космические агентства и частные компании придумают свои собственные решения. А это не не здорово.

Самая острая потребность в лунном времени связана с планами по созданию глобальной спутниковой навигационной системы (GNSS) для Луны, подобной GPS и другим спутниковым навигационным сетям, которые обеспечивают точное отслеживание местоположения на Земле.

Космические агентства планируют развернуть эту лунную GNSS примерно с 2030 года. ESA одобрило проект лунной спутниковой навигации под названием «Лунный свет» (Moonlight) на заседании совета министров 22 и 23 ноября 2022 года в Париже, а NASA учредило аналогичный проект под названием « Лунные системы ретрансляции связи и навигации» в январе 2022 года.

До сих пор миссии на Луне определяли свое местоположение с помощью радиосигналов, посылаемых на антенны на Земле в запланированное время. Но поскольку запланированы десятки миссий, «ресурсов просто не хватает, чтобы охватить всех», — говорит Джоэл Паркер, инженер, работающий над лунной навигацией в Центре Годдарда.

В качестве первого шага с 2024 года ESA и NASA опробуют определение местоположения на Луне, используя спутниковые навигационные сигналы с околоземных космических кораблей. Затем лунные проекты GNSS планируют разместить лунных орбитах специальные спутники, каждый из которых будет иметь собственные атомные часы (см. рисунок «Спутниковая навигация на Луне»). Приемник, например, на поверхности Луны, сможет определить свое положение с помощью триангуляции, учитывая время, необходимое спутниковым сигналам, чтобы его достичь его. ESA планирует сначала развернуть группировку из четырех спутников. Она будет обеспечивать навигацию на южном полюсе Луны. Там находятся запасы водяного льда, и поэтому Южный полюс является первой целью для исследований, говорит Йорг Хан, инженер, работающий над проектом «Лунный свет».

Лунным миссиям также потребуется универсальное лунное время для сотрудничества и общения, говорит Хан: «Все это должно быть привязано к одной временной шкале, иначе возникнет хаос, и работать вместе будет невозможно».

Еще один открытый вопрос, говорит Хан, заключается в том, будут ли астронавты использовать универсальное лунное время повсюду на Луне. Хотя лунное время останется официальной шкалой времени, пользователи могут, как и на Земле, «поделить» его на часовые пояса, связанные с положением Солнца на небе. Это не столько вопрос метрологов, сколько вопрос удобства. «Для того, кто живет на Луне, я думаю, это важно», — говорит Хан.

Определить лунное время непросто. Хотя определение секунды везде одинаково, согласно общей теории относительности, часы тикают медленнее в более сильных гравитационных полях. Притяжение Луны слабее, чем притяжение Земли, а это означает, что для наблюдателя на Земле. По последним уточненным расчетам лунные часы сдвинутся примерно на 59 микросекунд за земные 24 часа или на 0,021 секунды за год.

Скорость часов также будет слегка меняться в зависимости от их положения на лунной поверхности из-за вращения Луны, говорит Тавелла: «Это просто рай для специалистов по теории относительности, потому что приходится принимать во внимание очень много моментов».

Определение лунного стандарта времени, с которым будут сравниваться все часы, потребует установки как минимум трех главных часов, которые тикают в естественном темпе Луны и результаты которых объединяются алгоритмом для создания точных виртуальных часов (см. «Лунные часы»).

Что произойдет дальше, зависит от того, какой вариант выберут метрологи. Они могут связать лунное время с UTC. В этом случае это виртуальное лунное время будет регулярно синхронизироваться с земным. Между проверками главные лунные часы будут работать независимо до следующей синхронизации. Преимущество этого подхода состоит в том, что пользователям на Земле с ним легко взаимодействовать.

Но лунные атомные часы могут работать независимо. В этом случае, если связь с Землей будет потеряна, часы на Луне все равно будут согласованы друг с другом и обеспечат безопасную навигацию и связь, говорит Шерил Грамлинг, возглавляющая группу по позиционированию, навигации и синхронизации в Центре космических полетов NASA имени Годдарда. Независимое время — это модель, которая также будет работать и для более отдаленных планет, на которые в конечном итоге нацелены космические агентства, таких как Марс. Синхронизировать время небесных тел с UTC будет тем сложнее, чем оно дальше от Земли.

Поскольку NASA намеревается разрабатывать стандарты не только для Луны, но и для «других небесных тел», агентство, вероятно, выберет независимое лунное время. Но это станет понятно позднее. У независимого лунного и независимого марсианского времени есть другой недостаток: их будет трудно согласовать не только с земным временем, но и друг с другом, а ведь гравитация и орбитальные скорости Луны и Марса сильно отличаются. И время и там, и там течет по-разному.

Если считать от солнечного полудня до солнечного полудня на Луне, лунные сутки продолжаются в среднем 29,5 земных дней. Но земные дни всегда будут иметь важное значение для астронавтов: человек приспособлен к чередованию сна и бодрствования в 24-часовом цикле. Метрологам придется решить, как поделить длинный лунный день, на более-менее приемлемые для человека условно-земные сутки.

Метрологам придется решить, где на Луне разместить главные часы. Как и на Земле, высота устройства будет влиять на скорость отсчета времени. Часы могут находиться на лунной орбите или на поверхности.

Необходимо согласовать какие карты лунной местности и системы координат использовать для навигации. Чтобы обеспечить совместимость систем различных стран, эталонные системы должны быть согласованы на международном уровне, говорит Грэмлинг.

ESA и NASA разрабатывает систему под названием LunaNet, она тоже потребует международного согласования. LunaNet состоит из набора правил, которые позволят всем лунным спутниковым навигационным, коммуникационным и вычислительным системам сформировать единую сеть, подобную Интернету, независимо от того, какая страна их устанавливает. Установка лунного времени – это часть гораздо большей картины.

«Идея состоит в том, чтобы создать Интернет в Солнечной системе», — говорит Грэмлинг. «И первая попытка будет на Луне».

В этом случае лучше выбрать лунное время согласованное с земным. Но возможно, будет и совсем другое решение, например, создание стандарта универсального времени Солнечной системы.