باحثون يتوصلون إلى طريقة للحفاظ على تزامن الساعات على الأرض والقمر

إن التوقيت هو كل شيء هذه الأيام. فشبكات الاتصالات ونظام تحديد المواقع العالمي تعتمد جميعها على التتبع الدقيق للتوقيت الدقيق للإشارات ـ بما في ذلك مراعاة تأثيرات النسبية. وكلما توغلت في عمق بئر الجاذبية، كلما كان الوقت أبطأ، ولقد وصلنا إلى النقطة التي نستطيع عندها اكتشاف الاختلافات في ارتفاعات الكواكب. مليمتر واحدإن الوقت يتدفق بسرعة أكبر على الارتفاع الذي توجد فيه أقمار GPS مقارنة بالساعات الموجودة على سطح الأرض. وما يزيد الأمور تعقيدًا هو أن هذه الأقمار تتحرك بسرعات عالية، وهو التأثير الذي يؤدي إلى إبطاء الأمور.

من السهل نسبيا تفسير ذلك على الأرض، حيث نتعامل مع مجموعة واحدة من التعديلات التي يمكن برمجتها في الأجهزة الإلكترونية التي تحتاج إلى تتبع هذه الأشياء. ولكن هناك خطط جاهزة لإرسال مجموعة كبيرة من الأجهزة إلى القمر، الذي يتمتع بحقل جاذبية أقل بكثير (ساعات أسرع!)، مما يعني أن الأجسام يمكن أن تظل في المدار على الرغم من تحركها ببطء (ساعات أسرع أيضًا!).

من السهل إنشاء نظام مماثل لتتبع الوقت على القمر، لكن هذا من شأنه أن يؤدي حتماً إلى خروج الساعات عن المزامنة مع تلك الموجودة على الأرض – وهي مشكلة خطيرة لأشياء مثل الملاحظات العلمية. لذلك، فإن الاتحاد الفلكي الدولي لديه قرار وهذا يتطلب “نظام مرجعي سماوي قمري” و”توقيت إحداثي قمري” للتعامل مع الأمور هناك. وفي يوم الاثنين، أجرى باحثان في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، نيل آشبي وبيجونات باتلا، عملية حسابية لإظهار كيفية عمل ذلك.

الحفاظ على الوقت

إننا نستعد لاستكشاف القمر. وإذا سارت الأمور على ما يرام، فسوف ترسل الصين وتحالف تقوده الولايات المتحدة عدة بعثات غير مأهولة، وهو ما قد يؤدي إلى وجود بشري دائم. وسوف يكون لدينا مجموعة متزايدة من الأجهزة، وفي نهاية المطاف المرافق على سطح القمر. وكان تتبع عدد قليل من العناصر في وقت واحد كافياً لمهام أبولو، ولكن قد تحتاج البعثات المستقبلية إلى الهبوط في مواقع دقيقة، وربما التحرك بينها. وهذا يجعل ما يعادل نظام تحديد المواقع العالمي القمري ذا قيمة، كما يشير المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في تقريره الصادر في عام 2011. بيانها الصحفي الإعلان عن العمل.

من الممكن أن يتم التعامل مع كل هذا من خلال نظام مستقل لتحديد المواقع القمرية، إذا كنا على استعداد لقبول تحركه وفقًا لإيقاعه الزمني الخاص. لكن هذا سيصبح مشكلة إذا كنا في نهاية المطاف سنقوم بأشياء مثل إجراء علم الفلك من القمر، حيث سيكون التوقيت الدقيق للأحداث أمرًا بالغ الأهمية. إن السماح بنظامين منفصلين يعني أيضًا تبديل جميع أنظمة قياس الوقت على متن المركبات أثناء سفرها بين الاثنين.

لقد تم التوصل إلى النظرية التي تحكم كيفية التعامل مع إنشاء نظام واحد. ولكن التطبيق العملي لهذا الأمر ترك كممارسة للباحثين في المستقبل. ولكن من الواضح أن المستقبل هو الآن.

عمل آشبي وباتلا على تطوير نظام يمكن من خلاله حساب أي شيء بالرجوع إلى مركز كتلة نظام الأرض/القمر. أو كما ذكرا في البحث، فإن نظامهما الرياضي “يمكِّننا من مقارنة معدلات الساعة على القمر ونقاط لاغرانج القمرية فيما يتصل بالساعات على الأرض باستخدام مقياس مناسب لإطار سقوط حر محليًا مثل مركز كتلة نظام الأرض والقمر في مجال جاذبية الشمس”.

كيف يبدو هذا؟ حسنًا، هناك الكثير من المعادلات المشتقة. يحتوي نص الورقة على 55 معادلةً، وهناك 67 معادلةً أخرى في الملاحق. لذا، يبدو الكثير من الورقة بهذا الشكل.

تتعقد الأمور بسبب وجود العديد من العوامل التي يجب مراعاتها. فهناك تأثيرات المد والجزر من الشمس والكواكب الأخرى. وأي شيء على سطح الأرض أو القمر يتحرك بسبب الدوران؛ وتتحرك الأجسام الأخرى أثناء وجودها في المدار. ويعتمد التأثير الجاذبي على الوقت على مكان وجود الجسم. لذا، هناك الكثير مما يجب تتبعه.

مستقبل آمن

لا يتعين على آشبي وباتلا أن يأخذا كل شيء في الاعتبار في جميع الظروف. بعض هذه العوامل صغيرة للغاية بحيث لا يمكن اكتشافها إلا باستخدام ساعة عالية الدقة للغاية. تميل عوامل أخرى إلى إلغاء بعضها البعض. ومع ذلك، باستخدام نظامهما، تمكنا من حساب أن جسمًا بالقرب من سطح القمر سيلتقط 56 ميكروثانية إضافية كل يوم، وهي مشكلة في المواقف التي قد نعتمد فيها على قياس الوقت بدقة النانو ثانية.

ويقول الباحثون إن نهجهم، رغم تركيزه على نظام الأرض والقمر، لا يزال قابلاً للتعميم. وهذا يعني أنه من الممكن تعديله وإنشاء إطار مرجعي يمكن أن يعمل على الأرض وأي مكان آخر في النظام الشمسي. وهذا، بالنظر إلى السرعة التي أرسلنا بها الأشياء إلى ما هو أبعد من مدار الأرض المنخفض، ربما يكون بمثابة قدر صحي من الاستعداد للمستقبل.

المجلة الفلكية، 2024. DOI: 10.3847/1538-3881/ad643a (حول DOIs).