Дрейф времени не должен стать проблемой для будущих марсианских миссий
На Марсе часы идут быстрее, чем на Земле, и учёные выяснили, насколько именно они опережают земное время. Результаты исследования были опубликованы в «Астрономическом журнале» (The Astronomical Journal). Если эту разницу не скорректировать, она со временем нарушит навигацию, научные отметки времени и повседневное расписание будущих миссий.
Анализ показал, что при фиксированной точке на поверхности Марса он в среднем опережает Землю на 477 миллионных долей секунды ежедневно. В течение марсианского года этот прирост может колебаться до 226 миллионных долей секунды в день. Используя теорию относительности Эйнштейна, Национальный институт стандартов и технологий (NIST) связал это с гравитацией Марса.
Без единых правил синхронизации показания часов на Марсе расходились бы, вынуждая каждую передачу сигнала сопровождать поправкой. Более слабая гравитация на Марсе ускоряет течение времени, даже если часы показывают идеальный ритм.
Согласно теории Эйнштейна, время течет с разной скоростью в зависимости от гравитации. В менее гравитационных условиях время течет быстрее. Марсианские часы, установленные на поверхности планеты, будут продолжать «тикать» без изменений, так как они не учитывают собственное смещение. Сравнение марсианских часов с земными позволяет выявить это несоответствие, которое NIST необходимо было количественно оценить для планирования миссий.
Марс движется по орбите неравномерно, то ускоряясь, то замедляясь, что влияет на разницу во времени в течение года. Сила притяжения Солнца возрастает, когда Марс находится ближе к нему. В одной из недавних статей было показано, как гравитация соседних планет также влияет на это.
В новых расчётах учитывались четыре основных небесных тела: Солнце, Земля, Луна и Марс. Эти меняющиеся силы вызывают колебания марсианского времени, поэтому планировщики не могут считать это смещение фиксированным числом.
Миллионная доля секунды кажется незначительной, но за это время свет проходит около 300 метров. Навигационные системы рассчитывают расстояние, синхронизируя радиосигналы, а небольшие ошибки синхронизации приводят к ошибкам в измерениях. Глобальная система позиционирования Земли (GPS) зависит от синхронизации спутников и приёмников. Если их часы расходятся, вычисления становятся невозможными.
Если попытаться сблизить марсоход с целью без корректировочной таблицы, он может значительно промахнуться. На Марсе действует другой календарь: каждый день длиннее земного примерно на 40 минут, а год длится 687 земных дней.
Инженерам необходима согласованная временная шкала, чтобы марсианские часы можно было корректно сравнивать с земными. Выбор опорной поверхности, например, ареоида (воображаемой поверхности уровня моря), позволяет поддерживать согласованность показаний часов по всей планете. Эта согласованная базовая линия позволяет группам, выполняющим миссии, точно маркировать события, наносить на карту места и отправлять инструкции, не сомневаясь в используемых часах.
Радиосвязь между Землей и Марсом уже сейчас осуществляется с задержкой, которая варьируется от четырёх до 24 минут в одном направлении. Задержки сигнала вынуждают космические аппараты, орбитальные станции и наземные группы помечать каждый пакет данных, чтобы приёмники могли восстановить правильный порядок. Если удастся синхронизировать данные, это будет почти как общение в реальном времени без потери информации.
На Земле ГНСС синхронизирует время, сравнивая показания множества часов и передавая обновления, которые могут использовать устройства. Сеть атомных часов, измеряющих время через естественные колебания атомов, могла бы быть установлена на орбитальных аппаратах и посадочных модулях на Марсе. Поскольку космические аппараты движутся быстро и подвергаются гравитационному воздействию планет, система должна часто обмениваться данными о времени, иначе ошибки будут накапливаться незаметно. Согласование этих правил определит, как миссии будут координировать свою работу, обмениваться картами и регистрировать каждый эксперимент с точностью до секунды.
Марс также предоставляет ученым возможность проверить, соответствуют ли предсказания теории относительности реальности вдали от Земли. Сравнивая тактовую частоту часов на Земле, Марсе и в космосе, ученые могут проверить, подтверждаются ли предсказания теории относительности о выигрыше и проигрыше времени.
Нил Эшби из NIST отметил: «Возможно, пройдут десятилетия, прежде чем поверхность Марса будет покрыта следами марсоходов, но сейчас полезно исследовать вопросы создания навигационных систем на других планетах и спутниках». Эти результаты также служат ориентиром для будущих разработок часов, так как любое остаточное несоответствие может указывать на недостаточное понимание физических законов.
Превращение данных в работающие марсианские часы подразумевает разработку правил для обновлений, резервного копирования и обработки сбоев во время длительных миссий. Юпитер, тяга космических аппаратов и крошечные солнечные эффекты помогут уточнить корректирующие таблицы, от которых будут зависеть будущие сети. Политический аспект также важен, так как ведомствам необходимо согласовать марсианский стандарт времени, чтобы подрядчики могли создавать совместимое оборудование.
Тем не менее, делает вывод издание «Планета сегодня» (planet-today), получение точных данных о дрейфе времени превращает Марс из загадки в решаемую инженерную задачу. Теперь точное марсианское время выглядит как вполне достижимая система, а не как гипотеза, поскольку исследователи составили карту дрейфа и его причин.
По мере увеличения ориентации миссий на пилотируемые работы на поверхности, инженеры смогут учитывать эти корректировки в системах навигации и связи по всей Солнечной системе.