هرچند این اختلاف زمانی بسیار ناچیز به نظر میرسد، اما در شرایطی که نیاز به هماهنگی دقیق زمان میان زمین، ماه و مریخ وجود داشته باشد، میتواند نقشی حیاتی و تعیینکننده ایفا کند.
در مأموریتهای فضایی پیشرفته، بهویژه آنهایی که به ناوبری دقیق، ارتباطات بیوقفه و هماهنگی دادهها وابستهاند، حتی کسری از یک ثانیه میتواند تفاوتی بزرگ ایجاد کند. به همین دلیل، درک دقیق چگونگی گذر زمان در سیارات مختلف منظومه شمسی دیگر یک موضوع صرفاً نظری نیست، بلکه به یک ضرورت عملی برای آینده اکتشافات فضایی تبدیل شده است.
بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، زمان تحت تأثیر جرم و گرانش قرار میگیرد؛ پدیدهای که با عنوان «اتساع زمانی گرانشی» شناخته میشود. طبق این نظریه، برای یک ناظر بیرونی، ساعتهایی که در میدان گرانشی قویتری قرار دارند، کندتر از ساعتی که روی مچ دست خود اوست، تیکتاک میکنند. به بیان دیگر، هرچه گرانش قویتر باشد، گذر زمان آهستهتر خواهد بود.
در مقابل، در محیطهایی با گرانش ضعیفتر، طول هر ثانیه کوتاهتر است و زمان سریعتر سپری میشود. این موضوع تنها یک مفهوم انتزاعی نیست، بلکه تأثیرات آن بهطور عملی اندازهگیری شده است. برای مثال، ساعتهای اتمی نصبشده روی ماهوارههای سامانه موقعیتیاب جهانی (GPS) نسبت به ساعتهای روی سطح زمین سریعتر کار میکنند. دلیل این موضوع آن است که این ماهوارهها در مدار میانی زمین قرار دارند، جایی که گرانش اندکی ضعیفتر است. ترکیب این تفاوت گرانشی با اثرات ناشی از سرعت حرکت ماهوارهها، در مجموع باعث میشود ساعتهای GPS روزانه حدود ۳۸ میکروثانیه جلوتر از ساعتهای زمینی باشند.
اکنون دانشمندان NIST، نیل اشبی و بیجوناث پاتلا، موفق شدهاند یک چارچوب دقیق و منسجم برای زمانسنجی در مریخ طراحی کنند. این دو فیزیکدان پیش از این نیز استاندارد زمانی ویژهای برای ماه پیشنهاد داده بودند که مشابه «زمان هماهنگ جهانی» یا UTC روی زمین است؛ استانداردی که بهعنوان مبنای زمانسنجی جهانی شناخته میشود.
UTC که توسط اخترشناسان و شبکه فضای دوردست ناسا (Deep Space Network) مورد استفاده قرار میگیرد، دقتی در حدود ۱۰۰ پیکوثانیه در روز دارد؛ عددی حیرتانگیز، چرا که هر پیکوثانیه برابر با یک تریلیونیوم ثانیه است. چنین دقتی برای مأموریتهای فضایی ضروری است، زیرا کوچکترین خطای زمانی میتواند به انحرافهای بزرگ مکانی منجر شود.
روی سطح ماه، زمان حدود ۵۶ میکروثانیه در روز سریعتر از زمین میگذرد. این اختلاف ناشی از عوامل متعددی است، از جمله جرم کمتر ماه و همچنین برهمکنش گرانشی میان خورشید، زمین و ماه. با این حال، اندازهگیری و مدلسازی زمان در مریخ بهمراتب پیچیدهتر از ماه است.
پاتلا در اینباره توضیح میدهد: «مسئله سهجسمی بهخودیخود بسیار پیچیده است. حالا ما با چهار جرم سروکار داریم: خورشید، زمین، ماه و مریخ.» این تعاملات گرانشی چندگانه، محاسبه دقیق گذر زمان در مریخ را به چالشی جدی تبدیل میکند.
گرانش سطحی مریخ بهطور قابلتوجهی ضعیفتر از گرانش زمین است، زیرا جرم مریخ تنها حدود یکدهم جرم زمین برآورد میشود. اشبی و پاتلا با استفاده از دادههای جمعآوریشده توسط مأموریتهای مختلف مریخی، تخمین زدهاند که گرانش سطحی مریخ تقریباً پنج برابر ضعیفتر از گرانش سطحی زمین است.
علاوه بر این، مریخ در فاصلهای حدود ۱٫۵ واحد نجومی (AU) از خورشید قرار دارد، در حالی که فاصله زمین تا خورشید برابر با ۱ واحد نجومی است. از آنجا که نیروی گرانش با مجذور فاصله کاهش مییابد، مریخ تحت تأثیر پتانسیل گرانشی ضعیفتری از سوی خورشید قرار دارد.
اوضاع زمانی مریخ با یک عامل دیگر نیز پیچیدهتر میشود: مدار این سیاره بهمراتب بیضویتر از مدار زمین است. این ویژگی باعث میشود مریخ در طول سال مریخی، نوسانات بیشتری در پتانسیل گرانشی تجربه کند. در نتیجه، سرعت گذر زمان روی مریخ ثابت نیست و در بازههای مختلف تغییر میکند.
بهطور میانگین، ساعتهای مریخی روزانه ۴۷۷ میکروثانیه جلوتر از ساعتهای زمینی هستند، اما این اختلاف در طول یک سال مریخی میتواند تا ۲۶۶ میکروثانیه در روز افزایش یا کاهش یابد. این نوسانات باید در هر سامانه دقیق زمانسنجی برای مریخ لحاظ شوند.
سال مریخی نیز بهطور قابلتوجهی طولانیتر از سال زمینی است. مریخ برای یک بار گردش کامل به دور خورشید به ۶۸۷ روز زمینی نیاز دارد. افزون بر این، طول شبانهروز مریخی هم بیشتر است؛ سیاره سرخ حدود ۴۰ دقیقه بیشتر از زمین زمان نیاز دارد تا یک بار بهطور کامل به دور محور خود بچرخد.
ایجاد چنین چارچوبهای زمانی دقیق و قابل گسترش، برای آینده عملیات انسانی و رباتیک روی مریخ کاملاً ضروری است؛ بهویژه با توجه به برنامههای بلندپروازانه برای نخستین فرود انسان بر سطح این سیاره. هماهنگی ارتباطات، ناوبری، موقعیتیابی و انجام عملیات حساس، همگی به یک سیستم زمانسنجی مطمئن وابستهاند.
نیل اشبی در اینباره میگوید: «شاید دههها طول بکشد تا سطح مریخ از رد چرخهای کاوشگرهای سرگردان پوشیده شود، اما همین حالا هم بررسی چالشهای مربوط به ایجاد سامانههای ناوبری روی سیارات و قمرهای دیگر کاملاً ضروری است.»
در این فاصله، زمانسنجی خارج از زمین نقشی کلیدی در پشتیبانی از ارتباطات، تعیین موقعیت و ناوبری مأموریتهای قمری ایفا خواهد کرد؛ مأموریتهایی که هم توسط شرکتهای خصوصی و هم برنامههای فضایی ملی در دست طراحی و اجرا هستند.
بنابراین، ایجاد زیرساختهای مقیاسپذیر زمانسنجی فراتر از محیط زمین–ماه و طراحی چارچوبی برای «همگامسازی خودکار زمان میانسیارهای» به یکی از اهداف اساسی اکتشافات فضایی تبدیل شده است. پژوهش اخیر NIST گامی مهم و بنیادین در همین مسیر به شمار میرود.
پاتلا در پایان بر اهمیت این یافتهها تأکید میکند و میگوید: «اکنون زمان مناسبی برای ماه و مریخ است. ما بیش از هر زمان دیگری به تحقق رؤیای علمی–تخیلی گسترش انسان در سراسر منظومه شمسی نزدیک شدهایم.»
