Эйнштейн подставил марсоходы: секунды на Марсе бегут быстрее, и это ломает навигацию

Время на Марсе течет немного быстрее, чем на Земле, и теперь ученые точно рассчитали эту разницу. Казалось бы, речь идет о долях миллионной секунды, но для космической навигации такие величины критически важны. Без поправок расхождение может привести к ошибкам в передаче сигналов и работе будущих экспедиций. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astronomical Journal.

Почему марсианские секунды "убегают" вперед

Согласно расчетам, при фиксированной точке отсчета на поверхности Красной планеты марсианские часы опережают земные в среднем на 477 миллионных долей секунды в сутки. В течение марсианского года этот показатель меняется: ежедневный прирост может колебаться до 226 миллионных долей.

Эти значения удалось получить специалистам Национального института стандартов и технологий США (NIST), применив уравнения общей теории относительности.

Причина кроется в гравитации. Согласно Эйнштейну, чем слабее гравитационное поле, тем быстрее идет время. Поскольку притяжение Марса слабее земного, секунды там "текут" чуть быстрее. При этом сами часы на поверхности планеты будут работать исправно — они не способны зафиксировать собственное смещение. Разницу можно обнаружить только при сравнении с эталонным временем на Земле.

Переменные силы и сложные расчеты

Дополнительную сложность создает вытянутая орбита Марса. По мере движения вокруг Солнца планета то приближается к нему, то удаляется, а значит, испытывает меняющееся гравитационное воздействие. В расчетах пришлось учитывать влияние сразу четырех тел: Солнца, Земли, Луны и самого Марса.

Эти колебания означают, что смещение нельзя описать одной фиксированной поправкой. Даже миллионная доля секунды имеет значение: за это время свет проходит около 300 метров. Поскольку навигационные системы рассчитывают расстояние по времени прохождения радиосигнала, малейшая ошибка синхронизации способна привести к заметным отклонениям траектории.

Навигация и будущее марсианских миссий

На Земле система GPS постоянно сверяет показания спутниковых и наземных часов, чтобы поддерживать точность позиционирования. Для Марса потребуется аналогичная сеть — вероятно, из атомных часов на орбитальных аппаратах и посадочных модулях. Они должны регулярно обмениваться данными, иначе накопленные расхождения станут критическими.

Связь между Землей и Марсом уже сейчас сопровождается задержкой от четырех до 24 минут в одну сторону, что особенно важно для развития межпланетной связи. Поэтому каждый передаваемый пакет данных маркируется точным временем отправки. Без единого стандарта синхронизации миссии пришлось бы постоянно добавлять индивидуальные поправки к каждому сигналу.

Стандарт времени для другой планеты

Для единообразия предлагается использовать ареоид — воображаемую поверхность уровня моря Марса — как опорную точку для отсчета времени. Это позволит унифицировать временные метки по всей планете и обеспечить согласованность картографирования, научных экспериментов и передаваемых инструкций.

"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).

Помимо практических задач, Марс становится удобной площадкой для проверки предсказаний теории относительности. Сравнение работы часов на Земле, Марсе и космических аппаратах позволяет уточнять физические модели и выявлять возможные отклонения.

Точные расчеты дрейфа времени превращают проблему синхронизации из абстрактной теории в инженерную задачу. По мере подготовки к пилотируемым миссиям корректировки будут заранее закладываться в системы связи и навигации. В итоге марсианское время перестает быть загадкой и становится частью продуманной инфраструктуры будущих межпланетных экспедиций.