Hány óra van a Holdon?

Az elkövetkező évtizedben a Hold-kutatás újjáéled, több tucat küldetéssel és a Holdon állandó bázisok létrehozásának tervével. Az erőfeszítések számos kihívást jelentenek. Köztük van egy finom, de alapvető kérdés, amelyre a metrológusok szerte a világon próbálnak választ adni: hány óra van a Holdon?

“Ezt még csak most kezdjük elmagyarázni” – mondta Cheryl Gramling, egy repülőgép-mérnök, aki a NASA Goddard Űrrepülési Központjának pozíció-, navigációs és időmérő csapatát vezeti a marylandi Greenbeltben.

A 93 milliárd dolláros terv az űrhajósok visszahelyezésére a Holdra

A Holdnak jelenleg nincs független ideje. Minden holdküldetés saját időskáláját használja, amely a Földön lévő kezelői révén kapcsolódik a koordinált egyetemes időhöz, ill utc – a szabvány, amelyhez a bolygó óráit beállítják. De ez a módszer viszonylag pontatlan, és a Holdat kutató űrhajók nem szinkronizálják az időt egymással. Ez a megközelítés akkor működik, ha a Hold egy maroknyi független küldetésnek ad otthont, de ez problémát jelent, ha több hajó dolgozik együtt. Az űrügynökségek a pontos időzítési jelekre támaszkodó műholdas navigáció segítségével is követni szeretnék őket.

Nem világos, hogy az egyetemes holdidő milyen formát ölt. A Föld és a Hold órái természetesen eltérő sebességgel ketyegnek, a két test eltérő gravitációs tere miatt. A hivatalos holdidő egy olyan órarendszeren alapulhat, amellyel szinkronizálható UTCvagy független lehet a földi időtől.

2022 novemberében a világ űrügynökségeinek és tudományos szervezeteinek képviselői találkoztak, hogy megkezdjék a holdidő meghatározására vonatkozó ajánlások megfogalmazását az Európai Űrügynökség (ESA) Európai Űrkutatási és Technológiai Központjában, a hollandiai Noordwijkban.

A döntéseket gyorsan meg kell hozni – mondja Patrizia Tavella, a franciaországi Sèvres-i Nemzetközi Súly- és Mértékiroda időosztályának vezetője. Ha nem határoznak meg hivatalos holdidőt, az űrügynökségek és magáncégek saját megoldásokat fognak kitalálni, mondja. – Ezért szeretnénk most figyelmeztetést kiadni, és azt mondani: dolgozzunk együtt a közös döntésért.

Kövesse a műholdakat

A holdidőre vonatkozó legsürgetőbb igény egy dedikált globális navigációs műholdrendszer (GNSS) létrehozásának tervéből fakad a Hold számára, hasonlóan ahhoz, ahogy a GPS és más műholdas navigációs hálózatok pontos helymeghatározást tesznek lehetővé a Földön. Az űrügynökségek körülbelül 2030-tól tervezik a Hold GNSS telepítését. Az ESA 2022. november 22-23-i párizsi miniszteri tanácsi ülésén jóváhagyta a Holdfény nevű holdi műholdas navigációs projektet, a NASA pedig elindított egy hasonló projektet Lunar Communications Relay and Navigation Systems néven. Tavaly januárban.

Mostanáig a Hold-missziók a Föld nagy antennáira ütemezett időpontokban küldött rádiójelek segítségével határozták meg helyzetüket. De mivel több tucat küldetést terveznek, “nincs elég erőforrás ahhoz, hogy mindenkit lefedjen” – mondta Joel Parker, a Goddard Center holdnavigációjával foglalkozó mérnök.

Első lépésként az ESA és a NASA megpróbálja meghatározni a Hold helyzetét 2024-től a földi hajók gyenge műholdas navigációs jeleinek felhasználásával. Ezután a Hold GNSS projektjei speciális műholdak elhelyezését tervezik a Hold körül, mindegyik saját atomórával. Egy vevő, például a Hold felszínén, ezután háromszögbe állítja helyzetét, felhasználva azt az időt, amely alatt a műholdjelek elérik. Az ESA négy űrhajóból álló kezdeti konstellációt tervezett, amely a Hold déli pólusán való navigációt fogja lefedni, amely a Hold vizének nagy részének ad otthont, és a kutatás elsődleges célpontja – mondta Jörg Hahn, az ESA Holdfény projektjén dolgozó mérnök.

Hahn szerint a holdküldetéseknek hivatalos holdidőre is szükségük van az együttműködéshez és a kommunikációhoz. “Mindezt egyfajta időreferenciára kell redukálni, különben káosz van, és a dolgok nem működnek együtt.”

Egy másik nyitott kérdés, mondja Hahn, hogy az űrhajósok használnák-e az egyetemes holdidőt bárhol a Holdon. Bár a holdidő továbbra is a hivatalos időskála maradna, csakúgy, mint a Földön, a felhasználók a Nap égboltbeli helyzetéhez kapcsolódó időzónákba szeretnék áthelyezni. Ez kevésbé a metrológusok kérdése, hanem inkább megegyezés kérdése. “Ha valaki valóban ott él a Holdon, akkor szerintem van értelme” – mondja.

Jellegzetes idő

A holdidő meghatározása nem egyszerű. Míg a második definíciója mindenhol ugyanaz, a speciális relativitáselmélet azt diktálja, hogy az órák lassabban ketyegjenek erősebb gravitációs mezőben. A Hold gravitációs vonzereje gyengébb, mint a Földé, ami azt jelenti, hogy egy földi megfigyelő számára a holdóra gyorsabban futna, mint a földi óra. Gramling becslése szerint egy holdóra körülbelül 56 mikroszekundumot nyerne 24 óra alatt. A földi órához képest az óra sebessége is finoman változna a Hold felszínén elfoglalt helyzetétől függően, a Hold forgása miatt, mondja Tavella. „Ez a relativitáselmélet szakértőinek paradicsoma, mert nagyon sok mindent meg kell fontolni” – teszi hozzá.

A holdi szabvány meghatározása, amellyel az összes órát összehasonlítják, legalább három olyan mesteróra felszerelését jelenti, amelyek a Hold természetes ütemével ketyegnek, és amelyek kimenetét egy algoritmus kombinálja, hogy pontosabb “virtuális” órát állítson elő.

A következő lépés attól függ, hogy a metrológusok melyik lehetőséget választják. Dönthetnek úgy, hogy erre alapozzák a holdidőt UTC. Ebben az esetben ez a virtuális holdidő rendszeresen szinkronizálva lenne a földi idővel UTC. A bejelentkezések között a Hold főórái továbbra is jelölik az időt a következő szinkronizálásig. Ennek az az előnye, hogy a Föld felhasználói könnyen kapcsolatba léphetnek vele.

Az alternatíva az lenne, ha a Hold atomóráinak szintetizált kimenetét a Hold saját független, folyamatos idejére használnák, és nyomon követnék kapcsolatát. UTC. Így még akkor is, ha megszakad a kapcsolat a Földdel, a Hold órái akkor is megegyeznek egymással, és lehetővé teszik a biztonságos navigációt és kommunikációt, mondja Gramling. A független idő beállítása olyan modell, amely az űrügynökségek által végül célba vett távolabbi bolygókon is működik, például a Marson. Küldeni UTC bonyolultabb lenne, mint a hold – teszi hozzá.

Ebben a forgatókönyvben a Holdon eltöltött napok akár másként is meghatározhatók, mint a Földön, hogy figyelembe vegyék a szoláris déltől a szoláris délig átlagosan 29,5 földi napot. A földi napok mindig is fontosak lesznek az űrhajósok számára, tekintettel arra, hogy az ember nagyjából 24 órás ciklusban alvásigénye van. De a meghatározásban a metrológusoknak egyet kell érteniük.

A NASA Orion űrszondája eléri a Holdat – fotókon

A metrológusoknak azt is el kell dönteniük, hogy hol helyezzék el a mesterórákat a Holdon. Csakúgy, mint a Földön, az eszközök magassága befolyásolja a csapolás sebességét. Hahn szerint az órák a Hold körül vagy a felszínen is lehetnek. “Jelenleg erről tárgyalunk NASA kollégáinkkal.”

Az űrügynökségek más szükséges szabványokat is fontolgatnak – például a holdi domborzati térképeket és a navigációhoz használt koordinátarendszereket – az Ügynökségközi Műveleti Tanácsadó Csoporton, a nemzeti űrügynökségek tanácsán és az Egyesült Nemzetek Szervezetének GNSS Nemzetközi Bizottságán keresztül. Gramling szerint ahhoz, hogy a különböző országok rendszereit átjárhatóvá tegyék, a referenciarendszereket nemzetközi szinten kell egyeztetni.

A NASA az ESA segítségével a LunaNet nevű keretrendszert fejleszti, amelyre nemzetközi nevezési díjakat remél. A LunaNet olyan szabályokból áll, amelyek lehetővé teszik, hogy az összes holdi műholdas navigációs, kommunikációs és számítógépes rendszer egyetlen hálózatot alkosson, hasonlóan az internethez, függetlenül attól, hogy melyik országban vannak telepítve. A holdidő beállítása egy sokkal nagyobb kép része.

“Az ötlet az, hogy egy internetet hozzunk létre a Naprendszerben” – mondja Gramling. – És az első rész a Holdon lenne.