Небольшие сдвиги времени на Марсе могут оказать серьезное влияние на навигацию

Фото из открытых источников

Сейчас часы на Марсе идут немного быстрее, чем часы на Земле, и ученые точно измерили, насколько они опережают наше время. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astronomical Journal.

Если эту постоянную разницу не исправить, она постепенно нарушит навигацию, научные временные метки и ежедневное расписание для будущих экипажей.

Согласно результатам анализа, при фиксированной точке отсчета на поверхности Марс в среднем выигрывает 477 миллионных долей секунды в сутки. Используя теорию относительности Эйнштейна, Национальный институт стандартов и технологий (NIST) связал это явление с гравитацией Марса.

Физик Биджунат Патла из NIST обнаружил, что в течение марсианского года ежедневный прирост колебался до 226 миллионных долей в день.

Без единого правила синхронизации времени показания часов миссии расходились бы, что вынуждало бы каждый сигнал с Марса передавать поправку. Более слабая гравитация на поверхности Марса позволяет секундам течь немного быстрее, даже когда часы показывают идеальный ритм.

В физике Эйнштейна замедление времени означает, что часы тикают с разной скоростью под действием гравитации, из-за чего в более слабых мирах время немного опережает отметку.

Если установить часы на Марсе, они будут продолжать тикать нормально, потому что устройство не распознает собственное смещение. Сравнение марсианских часов с земными выявляет это несоответствие, которое NIST пришлось количественно оценить для планировщиков миссии.

Вдоль своей протяженной траектории Марс то ускоряется, то замедляется, и это изменяющееся движение влияет на разницу во времени в течение всего года.

Сила солнечной гравитации возрастает, когда Марс находится ближе, и в одной из недавних статей было показано, как соседние планеты усиливают гравитационное притяжение.

В новых расчетах система должна была учитывать одновременно четыре основных небесных тела: Солнце, Землю, Луну и Марс.

Эти изменяющиеся силы вызывают колебания марсианского времени, поэтому планировщики не могут рассматривать это смещение как единое фиксированное число.

Миллионная доля секунды кажется ничтожно малой, однако за это время свет проходит примерно 300 метров.

Навигационные системы вычисляют расстояние, синхронизируя радиосигналы, поэтому небольшие ошибки синхронизации напрямую приводят к погрешностям в милях или футах.

Глобальная система позиционирования Земли (GPS) зависит от синхронизации спутников и приемников, и вычисления не удается, когда их часы расходятся.

Если предпринять такую попытку сближения с Марсом без корректировочной таблицы, марсоход может значительно промахнуться мимо цели.

На Марсе действует другой календарь, где каждый день примерно на 40 минут длиннее, а год длится 687 земных дней.

Помимо этих очевидных различий, инженерам необходима согласованная секундная стрелка, чтобы марсианские часы могли корректно сравниваться с земными.

Выбор опорной поверхности, такой как ареоид — воображаемая поверхность уровня моря, используемая для Марса, — позволяет поддерживать согласованность показаний часов по всей планете.

Эта общая базовая линия позволяет группам, выполняющим миссии, маркировать события, наносить на карту местоположения и отправлять инструкции, не гадая, какие часы стоят за каждой временной меткой.

Радиосвязь между Землей и Марсом уже сейчас осуществляется с задержкой, при этом задержки в одном направлении составляют от четырех до 24 минут.

Задержка сигнала вынуждает космические аппараты, орбитальные станции и наземные группы помечать каждый пакет, чтобы приемники могли восстановить правильный порядок.

«Если удастся синхронизировать данные, это будет практически как общение в реальном времени без потери информации», — сказал Патла.

Даже при таком согласованном времени съемочные группы все равно будут ждать ответов, но сама сеть сможет оставаться целостной.

На Земле GPS отсчитывает время, сравнивая показания множества часов одновременно, а затем передавая обновления, которым могут следовать устройства.

Сеть атомных часов, измеряющих время путем подсчета естественных колебаний атомов, могла бы быть установлена на орбитальных аппаратах и посадочных модулях на Марсе.

Поскольку космические аппараты движутся быстро, а планеты оказывают на них притяжение, система должна часто обмениваться данными о времени, иначе ошибки будут незаметно накапливаться.

Согласование этого правила определит, как миссии будут координировать работу, обмениваться картами и регистрировать каждый эксперимент с точностью до секунды.

Помимо навигации, Марс предоставляет ученым простой способ проверить, соответствуют ли правила Эйнштейна реальности вдали от Земли.

Сравнивая частоту тактирования часов на Земле, Марсе и космических аппаратах, ученые могут проверить, подтверждаются ли предсказанные теорией относительности выигрыши и проигрыши.

«Возможно, пройдут десятилетия, прежде чем поверхность Марса будет покрыта следами блуждающих марсоходов, но сейчас полезно изучать вопросы, связанные с созданием навигационных систем на других планетах и спутниках», — сказал Нил Эшби из Национального института стандартов и технологий (NIST).

Подобные результаты также служат ориентиром для будущих разработок часов, поскольку любое остаточное несоответствие может указывать на отсутствие физических закономерностей.

Превращение вычислительных данных в работающие марсианские часы означает разработку правил для обновлений, резервного копирования и обработки сбоев во время длительных миссий.

Юпитер, тяги космических аппаратов и крошечные солнечные эффекты позволят уточнить корректирующие таблицы, от которых будут зависеть будущие сети, подобные GPS.

Политический аспект тоже будет иметь значение, поскольку ведомствам необходимо согласовать марсианский стандарт времени, прежде чем подрядчики смогут создавать совместимое оборудование.

Тем не менее, получение достоверных данных о дрейфе превращает Марс из загадки, связанной со временем, в решаемую инженерную задачу.

Теперь точное марсианское время выглядит как вполне достижимая система, а не как предположение, поскольку исследователи составили карту дрейфа и его причин.

По мере того, как миссии всё больше ориентируются на пилотируемые работы на поверхности, инженеры могут учитывать эти корректировки в системах навигации и связи по всей Солнечной системе.