این برنامه‌ها ایجاد زیرساخت‌های دائمی بر روی ماه و اطراف آن را شامل می‌شود که به حضور دائمی انسان در آنجا کمک می‌کند؛ حضوری که شامل پژوهش، علوم و فعالیت‌های تجاری است. همچنین، این برنامه‌ها مأموریت‌های سرنشین‌دار به مریخ را هدف قرار داده و در ادامه ایجاد سکونتگاه‌های سطحی را پیش‌بینی می‌کنند تا امکان بازگشت‌های مکرر فراهم شود.این طرح‌ها با چالش‌های بسیاری مواجه هستند، از جمله مسائل لجستیکی، فنی، بهداشتی و ایمنی انسان.
یکی دیگر از چالش‌ها، هماهنگی فعالیت‌ها بر سطح ماه با فعالیت‌های مدار آن و زمین است که نیازمند یک سیستم زمان‌بندی استاندارد است. در مطالعه‌ای اخیر، تیمی از پژوهشگران ناسا سیستمی جدید برای زمان‌بندی ماه توسعه دادند که شامل تمام دارایی‌های ماه و فضای میان‌زمین-ماه می‌شود. آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که این سیستم بر مبنای تبدیلات نسبیتی زمان (شناخته‌شده به‌عنوان “انبساط زمان”) طراحی شود. چنین سیستمی با پرداختن به اختلافات ناشی از تفاوت‌های پتانسیل گرانشی و حرکت نسبی، امکان هماهنگی و زمان‌بندی دقیق روی ماه را فراهم می‌کند.
این پژوهش توسط چهار دانشمند پژوهشگر از آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL)، شامل اسلاوا جی. توریشف، جیمز جی. ویلیامز، دیل اچ. باگز و رایان اس. پارک، انجام شد. پیش‌چاپ مقاله آن‌ها با عنوان “تبدیلات نسبیتی زمان میان مرکز ثقل منظومه شمسی، زمین و ماه” به‌تازگی به‌صورت آنلاین منتشر شده و در حال بررسی برای چاپ در مجله Physical Review D است.
نسبیت و تغییرات زمانی: درک مفاهیم بنیادی زمان و فضا
تبدیلات نسبیتی زمان (RTT)، که بر اساس تبدیلات لورنتس و نظریه نسبیت خاص اینشتین پیش‌بینی شده‌اند، نشان می‌دهند که گذر زمان برای ناظری که چارچوب مرجعش شتاب‌دار است، کندتر می‌شود. اینشتین با گسترش نسبیت خاص و وارد کردن گرانش در نظریه نسبیت عام، نشان داد که شتاب و گرانش اساساً یکسان هستند و جریان زمان بسته به شدت میدان گرانشی تغییر می‌کند. این مسئله برای اکتشافات فضایی، جایی که فضاپیماها تحت شتاب، میکروگرانش و گرانش ضعیف‌تر عمل می‌کنند، یک چالش است.
توریشف توضیح داد که RTT اهمیت زیادی خواهد یافت وقتی انسان‌ها برای مدت طولانی بر روی ماه فعالیت کنند:
«[RTT] توضیح می‌دهد که چگونه زمان بر اساس پتانسیل گرانشی و حرکت متفاوت جریان می‌یابد. برای مثال، ساعت‌های روی ماه کمی سریع‌تر از ساعت‌های روی زمین کار می‌کنند، زیرا کشش گرانشی ضعیف‌تری در سطح ماه وجود دارد. هرچند این اختلافات کوچک‌اند—در حدود میکروثانیه در روز—اما در مأموریت‌های فضایی، که حتی یک خطای زمانی کوچک می‌تواند منجر به اشتباهات بزرگ در موقعیت‌یابی یا تأخیر ارتباطی شود، اهمیت زیادی پیدا می‌کنند. در اکتشافات فضایی، زمان‌بندی دقیق حیاتی است.»
مقیاس‌های زمانی اصلی: درک زمان در زندگی روزمره
در مقاله آن‌ها، سه مقیاس زمانی اصلی شناسایی شده است:
- زمان زمینی (TT): این مقیاس زمانی برای سیستم‌های زمین‌پایه استفاده می‌شود و زمان را در سطح متوسط دریا با اصلاحاتی برای پتانسیل گرانشی زمین نشان می‌دهد.
- زمان مختصاتی مرکز ثقل (TCB): مختصات زمانی در سیستم مرجع آسمانی مرکز ثقل (BCRS) که مرکز آن در مرکز ثقل منظومه شمسی است. این مقیاس شامل اثرات نسبیتی ناشی از پتانسیل‌های گرانشی و حرکت اجسام نسبت به مرکز ثقل است.
- زمان دینامیکی مرکز ثقل (TDB): نسخه‌ای تعدیل‌شده از TCB که با نرخ متوسط TT هماهنگ است و از ایجاد انحراف طولانی‌مدت جلوگیری می‌کند.
توریشف افزود:
«تبدیلات نسبیتی این مقیاس‌های زمانی را به هم پیوند می‌دهند و اطمینان می‌دهند که زمان‌بندی برای ناوبری فضاپیماها، تقویم‌های سیاره‌ای و ارتباطات، دقیق و سازگار است.»
زمان‌بندی ماه: درک چرخه‌های طبیعی و تأثیرات آن بر زندگی روزمره
با تسریع کاوش‌های قمری، تعریف یک مقیاس زمانی اختصاصی ماه و یک سیستم مرجع مختصاتی ماه‌مرکز (LCRS) اهمیت پیدا می‌کند. توریشف و تیمش مقیاس زمانی TL را توسعه داده‌اند تا زمان‌بندی دقیق برای فعالیت‌ها در ماه و اطراف آن تضمین شود. روش آن‌ها شامل تطبیق اصول نسبیتی زمین با شرایط ماه است:
- گرانش ضعیف‌تر در ماه موجب می‌شود ساعت‌های ماه سریع‌تر از ساعت‌های زمین کار کنند.
- حرکت ماه به دور زمین و خورشید تغییرات زمانی دوره‌ای ایجاد می‌کند.
- ناهنجاری‌های گرانشی محلی (ماسکان‌ها) بر میدان گرانشی ماه و جریان زمان تأثیر می‌گذارند.
- نتایج آن‌ها نشان می‌دهد زمان ماه روزانه حدود ۵۶ میکروثانیه از زمان زمین جلوتر است و نوسانات دوره‌ای با دامنه حدود ۰.۴۷ میکروثانیه طی دوره‌ای ۲۷.۵۵ روزه رخ می‌دهند.
اهمیت سیستم زمان‌بندی ماه در زندگی روزمره
سیستم زمان‌بندی واحد قمری برای موفقیت مأموریت‌ها حیاتی است:
- ناوبری و فرود دقیق: هماهنگی زمانی دقیق خطر خطا در مراحل حیاتی مأموریت‌ها را کاهش می‌دهد.
- ارتباطات یکپارچه: زمان‌بندی هماهنگ از تأخیر ارتباطی و خطاهای انتقال داده جلوگیری می‌کند.
- همکاری علمی: استاندارد زمانی مشترک امکان تبادل دقیق داده‌ها میان مأموریت‌های مختلف را فراهم می‌کند.
- عملیات خودمختار: سیستم زمانی اختصاصی ماه، به پایگاه‌ها و فضاپیماها امکان فعالیت مستقل از زمین را می‌دهد.
سیستم‌های جدید زمان‌بندی یکی از انطباق‌های ضروری برای تبدیل انسان به گونه‌ای میان‌سیاره‌ای است. همان‌طور که حضور ما در ماه دائمی می‌شود، این هماهنگی زمانی اهمیت بیشتری پیدا خواهد کرد. تلاش‌های مشابهی برای مریخ نیز آغاز شده است، مانند توسعه “زمان هماهنگ مریخ” (MCT) و تقویم دارین.
