Как доказали Эйнштейн и последующие наблюдения, время неотделимо от пространства и гравитации. Часы будут «тикать» с разной скоростью на Земле, Луне и в открытом космосе. Чем легче небесное тело, тем быстрее идут на нём атомные часы — инструмент не только для ориентации людей во времени, но также мерило задержки сигнала и опора для ориентации в пространстве. Для космоса нужен свой подход, что стало поводом для создания особого стандарта времени.

Источник изображения: techspot.com

Проблематикой занялся Национальный институт стандартов и технологий США (NIST). Как известно, под руководством NASA разворачиваются этапы программы Artemis по возвращению человека на Луну, включая создание там баз постоянного присутствия. Атомные часы на естественном спутнике Земли каждые сутки убегают вперёд на 56 мкс. «Лунные» часы можно было бы синхронизировать с атомными часами на Земле — технически это легко достижимо. Однако в NIST посчитали такой подход неоправданным. Будет проще ввести лунную зону времени и использовать её для определения времени и работы систем позиционирования на поверхности и орбитах Луны. При подлёте к Луне достаточно будет один раз перевести часы и забыть о проблеме.

Установление единого лунного времени необходимо, прежде всего, для создания лунного GPS. Это позволит совершать высокоточные посадки с погрешностью в несколько метров. Такая возможность будет особенно важна для освоения южного полюса Луны, где очень сложный рельеф, и благодаря ему в вечной темноте кратеров может оставаться водяной лёд.

В перспективе новый космический стандарт времени может быть использован для работ на Марсе и в открытом космосе, а также глубоко в Солнечной системе. Но пока на повестке дня стоит освоение Луны. В ближайшие два десятка лет там станет достаточно оживлённо, особенно на орбите. Единая система отсчёта времени будет нужна там как воздух, чтобы все станции и спутники были на «одной волне» и не рисковали столкнуться.

Учёные Объединённого института лабораторной астрофизики (JILA, США) построили самые точные на сегодняшний день атомные часы — если запустить их на время, вдвое превышающее текущий возраст Вселенной, они собьются лишь на одну секунду. Это поможет улучшить навигационные сервисы и помочь в исследовании вызванных гравитацией искажений в течении времени на малых расстояниях.

Источник изображения: nist.gov

Принцип работы атомных часов основан на подсчёте колебаний атомов — это крайне предсказуемые события. Например, атомы цезия-133 совершают 9 192 631 770 колебаний в секунду, и с 1967 года это используется для официального определения секунды. Атомные часы на основе этого элемента сбиваются на одну секунду за 300 млн лет.

Учёные JILA построили атомные часы, которые намного точнее. Проект основан на нескольких разработках, которые исследователи создали за последние годы. В приборе используются атомы не цезия, а стронция, которые колеблются 429 трлн раз в секунду; а измерения производятся при помощи не микроволн, а видимого света, волна которого имеет более высокую частоту.

Десятки тысяч атомов стронция заключаются в мягкую «световую решётку», которая помогает значительно повысить точность атомных часов, потому что отсутствуют два источника ошибок: влияние лазерного излучения и столкновения атомов друг с другом. В результате точность прибора составляет 8,1 единицы к 10 квинтиллионам. Другими словами, такие часы дадут сбой на одну секунду, проработав 30 миллиардов лет — это более чем вдвое превосходит текущий возраст Вселенной.

Такая высокая точность поможет, например, улучшить работу систем связи и спутниковой навигации. Она окажется полезной и в физических исследованиях: гравитация способна искажать скорость течения времени, и данный прибор способен отметить эту разницу на расстоянии толщиной с один волос.

Белый дом накануне поручил NASA установить единый стандарт времени для Луны и других небесных тел — США стремятся установить международные нормы в космосе на фоне нарастающей лунной гонки между частными компаниями и государствами.

Источник изображения: JB / pixabay.com

Глава Управления научно-технической политики (OSTP) в администрации президента США Арати Прабхакар (Arati Prabhakar) поручила NASA совместно с другими американскими ведомствами к концу 2026 года разработать план по установлению координированного лунного времени (Coordinated Lunar Time — LTC), стало известно Reuters. Из-за разницы в гравитации и, возможно, из-за других факторов на Луне и других небесных телах время течёт не так, как на Земле. Поэтому LTC станет эталоном измерения времени для лунных космических кораблей и спутников, которым для выполнения миссий требуется предельная точность.

В направленной OSTP записке говорится, что для человека на Луне земные часы отстают в среднем на 58,7 микросекунды за земные сутки и имеют прочие периодические отклонения, из-за которых разрыв земного и лунного времени ещё сильнее увеличивается. NASA в рамках программы Artemis намеревается в ближайшие годы отправить на Луну астронавтов и начать строительство лунной базы, которая поможет подготовиться к будущим миссиям на Марс. В проекте заняты десятки компаний и стран. Без единого стандарта времени будет непросто обеспечить безопасность передачи данных между космическими кораблями и обеспечить синхронизацию связи между Землёй, лунными спутниками и базами. Расхождения во времени могут привести к ошибкам в картографировании и определения местоположения на Луне или её орбите.

На Земле большинство часов и часовых поясов ведёт отсчёт от всемирного координированного времени (UTC). Этот стандарт основан на сети атомных часов, расположенных по всему миру — они фиксируют изменения в состояниях атомов и генерируют среднее значение, которое и определяет точное время. Атомные часы потребуется установить и на Луне, считают в OSTP. По мере расширения коммерческой деятельности на Луну единый стандарт времени также будет иметь важное значение для координации операций, обеспечения надёжности транзакций и управления логистикой в лунной торговле.

Как удалось выяснить астрономам на основе наблюдений за изменениями в излучении порядка 190 квазаров, на начальном этапе формирования Вселенной время текло в пять раз медленнее, чем сегодня. С соответствующим заявлением выступила пресс-служба Сиднейского университета.

Источник изображения: NASA

Как сообщает ТАСС со ссылкой на пресс-службу университета, благодаря Эйнштейну известно, что время и пространство неразрывно связаны. При этом Вселенная постоянно расширяется и в теории это означает, что события в ранней Вселенной, в первый миллиард лет после Большого взрыва показались бы замедленными в сравнении с течением времени сегодня. Сообщается, что учёные 20 лет наблюдали за 190 квазарами (сверхмассивными чёрными дырами в центрах галактик), являющимися очень интенсивными источниками излучения. Из-за огромного расстояния до Солнечной системы, которое должно проделать излучение, они видны такими, какими выглядели в далёкой древности. Излучение, дошедшее до Земли, испущено 3–12 млрд лет назад. Известно, что наблюдения ведутся в рамках проектов Dark Energy Survey и Sloan Digital Sky Survey.

Ученые следили за искажением излучения квазаров. Источники были подобраны таким образом, что их светимость должна была изменяться примерно одинаково. Ученые определили частоту искажений для квазаров, расположенных на схожих расстояниях, и сравнили полученные данные между разными группами. В результате удалось выяснить, как медленно текло время в разные периоды существования Вселенной. В прошлом оно шло медленнее, но если 3 млрд лет назад — только в 1,2 раза, то 12 млрд лет назад — в пять раз.

Данные косвенно подтверждаются зарегистрированными близко и далеко от Земли вспышками сверхновых — здесь также отмечалось изменение скорости течения времени. Другими словами, квазары вполне подходят для измерения скорости течения времени. Впрочем, гипотетический наблюдатель, оказавшийся бы в относительной близости от квазара в древние времена, никакого замедления не заметил бы.

Известно, что ещё в XX веке учёные обнаружили, что Вселенная расширяется и делает это всё быстрее. Считается, что за это ответственна т.н. тёмная энергия. По данным исследований, рост Вселенной был неравномерным и если в самые первые мгновения после Большого взрыва её границы расширялись практически со скоростью света, то после рост стремительно замедлился и в первые 10 млрд лет темп сохранялся довольно низким. После скорость расширения Вселенной снова начала расти. Предполагается, что именно тёмная энергия усилила влияние на расширение структуры пространства. Известно, что буквально на днях SpaceX успешно запустила телескоп «Эвклид», предназначенный для изучения тёмной материи и тёмной энергии.

В Европейском космическом агентстве (ЕКА) заявили о необходимости ввести единое лунное время — это облегчит частным подрядчикам создание системы телекоммуникаций на Луне, а также будет способствовать развёртыванию навигационной системы для передвижений по её поверхности.

Источник изображения: esa.int

В ЕКА отметили, что назревает потребность в создании комплекса телекоммуникационных услуг на Луне, необходимых для проведения экспериментов разного масштаба, которая потребуется для связи между участниками лунных проектов, а также для их связи с Землёй. Система получит название Moonlight, и её частью станут стандартизированные лунные часы. ЕКА открыло приём заявок для частных компаний, желающих поучаствовать в программе — она предусматривает запуск трёх или четырёх спутников, которые будут развёрнуты на орбите Луны для обеспечения постоянного телекоммуникационного и навигационного покрытия лунной поверхности и связи с Землёй. Группировка будет оптимизирована для охвата Южного полюса Луны, который выбран в качестве места посадки американской лунной миссии Artemis.

Программе Moonlight потребуется общее лунное эталонное время — без него невозможна работа с точными данными о местоположении пользователей на поверхности Луны. Прежние лунные миссии синхронизировали свои часы с земными, и для этого требовалось корректировать данные, чтобы избегать расхождений. В новых реалиях такое решение представляется непрактичным, поскольку в ближайшие годы на Луну будет отправлено больше людей и исследовательских аппаратов, чем когда-либо. Участникам всех этих программ понадобится связываться друг с другом, проводить встречи или совместные наблюдения, а стандартное время сгладит множество проблем, которые могут возникнуть.

Обсуждение единого лунного времени началось в ходе встречи в Европейском центре космических исследований и технологий ЕКА в Нидерландах в ноябре прошлого года — одновременно в NASA ведётся работа по созданию единой цифровой сети LunaNet. Это будет система согласованных стандартов, протоколов и требований к интерфейсу — она обеспечит сотрудничество будущих лунных миссий аналогично тому, как совместно используются ресурсы GPS и Galileo. Дата запуска спутников Moonlight пока не установлена.

Международное бюро мер и весов во Франции приняло решение отказаться от практики по вводу дополнительных секунд, первоначально призванных отражать изменения скорости вращения Земли. Компьютерные системы реагировали на эту практику чересчур болезненно, и вреда от високосных секунд было больше, чем пользы.

Источник изображения: PIRO / pixabay.com

В 2012 году неспособность ядра Linux обрабатывать дополнительные секунды вызвала многочисленные сбои; сложности повторились в 2015 и 2016 гг. Отказ от високосных секунд обсуждался как минимум с 2013 года — они создают угрозу стабильной работе вычислительных и телекоммуникационных систем. Недавно представители крупнейших технологических компаний рассказали, как пытаются преодолеть проблему: в частности, инженеры Meta✴ «размывают» их во времени за 17 часов, но рекомендуют вообще прекратить эту практику.

Окончательное решение (PDF) было принято на состоявшейся на прошлой неделе 27 Генеральной конференции Международного бюро мер и весов: високосных секунд больше не будет. Правда, отказ произойдёт, скорее всего, только начиная с 2035 года. Своё решение учёные обосновали тем, что скорость вращения Земли продолжает меняться, и в обозримом будущем, вероятно, придётся не добавлять, а вычитать секунду, хотя ничего подобного в мировой практике ещё не было. Бюро также пересмотрело свою позицию относительно сбоев, которые високосная секунда может вызывать в компьютерных системах.

Заметим, что Россия проголосовала против резолюции, а Беларусь воздержалась. Россия давно пытается отсрочить отказ от дополнительной секунды, потому что отечественная глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС включает дополнительные секунды, в отличие от других систем, таких как GPS, эксплуатируемых Соединенными Штатами. Учитывая обеспокоенность России, отмена дополнительной секунды не планируется до 2035 года, хотя это может произойти и раньше.

Вместо дополнительных секунд эксперты организации предложили установить «новое максимальное значение разницы (UT1-UTC), которое обеспечит непрерывность UTC в течение как минимум века». Универсальное время UT1 высчитывается пропорционально скорости вращения Земли относительно квазаров, а значение Всемирного координированного времени UTC устанавливается специалистами. Ожидается, что на 28 Генеральной конференции в 2026 году Международное бюро мер и весов проголосует за резолюцию, устанавливающую максимальное значение разницы между UT1 и UTC до 2035 года.