火星では地球よりも時間が早く過ぎます

小さなことのように思えるかもしれませんが、高精度の宇宙航行の世界では、そのギャップが、目的地に無事到着できるか、真空の宇宙で永遠に迷ってしまうかの違いを意味することがあります。それを修正しなければ、赤い惑星に人類の永続的な存在を確立するという夢は事実上不可能になってしまうでしょう。

そして、私たちが話しているのは、火星では 1 日の長さが異なるということではなく、それは実際にそうなのですが、もっと根本的なことについて話しているのです。それは、時間の構造自体が火星ではここと同じように機能しないということです。

私たちの地球上では、「今何時ですか?」という質問が行われます。人類の同期を保つ原子時計、GPS衛星、電気通信システムの複雑なネットワークのおかげで、正確な答えが得られます。しかし、アインシュタインが 1 世紀以上前に私たちに教えたように、時間は普遍的な定数ではありません。可鍛性があります。重力と速度に応じて「伸び」「縮み」ます。

これは「火星の時間」です

で発表されたばかりの新しい研究では、天文ジャーナル」と題して、NIST チームは、宇宙技術者たちの長年の懸案だったパズルをついに解決することに成功しました。そして彼らは、私たちの隣の惑星で時間がどれだけ速く流れるかを前例のない精度で計算することに成功しました。

アインシュタインの一般相対性理論によれば、重力は私たちを地面に固定させる力であるだけでなく、体の「曲率」でもあるとのことです。 時空生地重りを乗せたピンと張ったシートが変形するのと同じように、惑星、星、銀河が存在すると変形します。特定の場所の重力が強いほど、曲率が大きくなり、時間の経過が遅くなります。

そして火星に戻りましょう。それは地球よりもはるかに小さく、その質量は大幅に小さく、表面重力は地球よりも5倍弱いです。時間どおりに「引っ張る」重力が少なくなると、より自由に、より速く流れることができます。原子時計を備えた火星に着陸すれば、これを確認できるだろう。私たちにとってその時計は 完全に正常に動作します。 2番目は1秒のままです。しかし、それを地球上に留まった双子の時計とリアルタイムで比較しようとすると、私たちの時計がいかに進歩しているかがわかります。

「火星で時計がどのように機能するかを知ることは、将来の宇宙ミッションへの基本的な第一歩です」と、この論文の共同筆頭執筆者である物理学者のビジュナス・パトラ氏は説明する。

複雑なタスク

火星での時間がどのように経過するかを正確に計算するのは簡単な作業ではありません。実際、これは NIST の物理学者自身が予想していたよりも大きな数学的「頭痛」でした。 「力仕事は、当初思っていたよりも大変でした」とパトラさんは認めます。それは、正確な結果を得るために、研究者たちは存在する最も複雑な問題の 1 つに対処する必要があったからです。 複数のボディ。

実際、信頼できる結果を得るには、単に地球と火星の重力を比較するだけでは十分ではありません。私たちの周りにはもっと多くのものが動いているということを心に留めておかなければなりません。私たちの太陽系は複雑なボールルームであり、太陽が総質量の 99% 以上を独占し、他のすべてを「引き寄せ」ます。しかし、月、木星、土星もあり、すべて重力的に影響し合っています。

事態をさらに複雑にするのは、軌道が比較的一定している地球や月とは異なり、火星の軌道は偏心していることです。つまり、「丸さ」が減り、より「細長い」状態になります。これは、火星の太陽からの距離が、地球日で 687 日続く 1 年を通して劇的に変化することを意味します。

この偏心は、「火星の時間」が加速する速度が一定ではないことを意味します。この 477 マイクロ秒の進歩は、実際には単なる平均にすぎません。パトラ氏と同僚のニール・アシュビー氏の計算によると、近隣の天体の影響や赤い惑星の軌道が不安定なため、この数値は1日あたり最大226マイクロ秒増減する可能性があるという。したがって、これは常に変化する「一時的なダンス」であり、コンピューターが相互に通信できるようにするには、数学的精度で予測する必要があります。

「月の場合、2024年に実施された以前の研究を参照しながらパトラ氏は説明するが、時間は一貫して地球よりも56マイクロ秒速い。しかし、火星の場合はそうではありません。太陽からの距離と離心軌道は、変動がはるかに大きいことを意味します。 「これは非常に複雑な三体問題であり、太陽、地球、月、火星の四体になります。」

電信以前の通信

そして、火星の時計が1日に0.5ミリ秒ずれると、私たちの生活、さらには宇宙飛行士の生活にどのような影響があるのでしょうか?

研究によると、それは私たちの想像をはるかに超えています。そして、ナビゲーション以外の主な理由は、惑星間インターネットという独自の名前を持っています。

今日、地球と火星探査機の間、または惑星間探査機との通信は、研究者自身の言葉を借りれば、ほぼ「電信以前」のようなものです。距離が非常に長いため (光がある惑星から別の惑星に移動するのに 4 ～ 24 分かかります)、指示を送信して確認を受信するのは遅くて退屈なプロセスです。 「人々が海を渡る船に手書きの手紙を届けて、返事が来るまで数週間、あるいは何か月も待ったようなものです」とパトラさんは説明する。

しかし、NASA や他の宇宙機関が描く未来には、より良いものが必要です。実際、火星を周回する GPS 衛星のネットワークと、ビデオと科学データをまとめて送信する高速通信システムを含む「月から火星へ」アーキテクチャの開発がすでに進行中です。

GPS が機能するには、信号が衛星から受信機に届くまでにかかる時間を測定する必要があります。したがって、衛星と受信機の時計が完全に同期していないと、位置誤差が大きくなります。地球上では、GPS 時計のマイクロ秒の誤差は、キロメートル単位で位置を見失うことを意味します。同じ誤差の範囲で有人宇宙船を着陸させようとするとどうなるかを想像してみましょう。

リアルタイムで

さらに、最新のデータ ネットワークには要求が厳しくなっています。たとえば、5G では最大 10 分の 1 マイクロ秒の精度が必要です。 「同期が達成できれば、情報を失うことなく、ほぼリアルタイムの通信と同じになるとパトラ氏は言います。 「何が起こるかを待つ必要はありません。」

したがって、新しい研究は、すぐに重要であることが判明するインフラストラクチャの理論的基礎を築きます。パトラ氏と彼のチームは、赤道の海面で地球上で行うことと同様に、基準として機能する火星の表面の特定の点を選択しました。そして、これまでのミッションで収集された長年のデータのおかげで、その時点での正確な重力ポテンシャルを推定し、それを地球のジオイドと比較することができました。

この取り組みは、火星にいるときに時計が正確に時刻を知らせることだけを目的としたものではありません。むしろ、それは将来の惑星間全地球測位システムの最初の石です。この研究の共著者であるニール・アシュビー氏の言葉を借りれば、「火星の表面が放浪する探査機の足跡で覆われるまでには何十年もかかるかもしれないが、他の世界でナビゲーションシステムを確立する際に我々が直面するであろう問題を今から研究することは有益だ」という。

「私たちは、太陽系全体に拡大するというSFのビジョンの実現にこれまで以上に近づいている、とパトラ氏は強調する。」そしてその拡大は、大型ロケットと、黒板に書かれた軌道と重力の複雑な計算の両方に依存している。そしてもちろん、アインシュタインはまたしても完全に正しかったのです。