Budućim kolonistima na Marsu trebat će novi relativistički sat

Vrijeme na Marsu neće biti samo stvar kalendara, radnog dana ili dogovora kada počinje smjena u budućoj postaji. Sat na površini planeta, satelit u niskoj orbiti i letjelica na udaljenoj putanji oko Marsa neće otkucavati istim ritmom. Novi znanstveni rad istraživača NASA-inog Laboratorija za mlazni pogon predlaže okvir koji bi Marsu dao vlastiti precizni sustav vremena.

Na drugom planetu ni atomski sat nije konačni odgovor

Atomski satovi danas su među najpreciznijim instrumentima koje čovječanstvo ima. Njihova točnost ide do razina koje su daleko izvan svakodnevnog iskustva. No čak i takvi satovi podliježu općoj teoriji relativnosti.

Sat ne mjeri vrijeme jednako u različitim gravitacijskim uvjetima. Na površini planeta, u orbiti, blizu Sunca ili dalje od njega, protok vremena blago se mijenja. Razlike su iznimno male, ali za navigaciju, komunikacije i dugotrajne svemirske misije s vremenom postaju stvaran inženjerski problem.

Mars je u tom smislu poseban slučaj koji će čovječanstvo morati riješiti prije ozbiljne i trajne prisutnosti na njegovoj površini. Atomski sat na Marsu nalazio bi se u slabijem gravitacijskom polju nego sat na Zemlji. Zbog toga bi vrijeme na površini Crvenog planeta teklo malo drukčije od vremena koje koristimo u zemaljskim sustavima.

Slava Turyshev, istraživač NASA-inog Laboratorija za mlazni pogon, predlaže areocentrično koordinatno vrijeme, TCA, novi vremenski okvir za Mars. Zemlja već ima sličan sustav, geocentrično koordinatno vrijeme, TCG, koji omogućuje precizno povezivanje satova na našem planetu s referentnim vremenom Sunčeva sustava.

U ovom slučaju “sat” ne znači samo uređaj koji stoji na zidu postaje ili na zapešću astronauta. Riječ je o matematičkom sustavu koji bi omogućio da se lokalno vrijeme na Marsu poveže s referentnim vremenom Sunčeva sustava. Turyshev ga smješta u postojeći okvir Međunarodne astronomske unije, koji se oslanja na baricentrični nebeski referentni sustav i baricentrično koordinatno vrijeme.

Jednostavnije rečeno, budući marsovski sustav vremena morao bi znati kako povezati astronautov sat, rover na površini, satelit u orbiti i širi koordinatni sustav Sunčeva sustava.

Mikrosekunde koje se gomilaju u stvarne pogreške

Na prvi pogled, riječ je o razlikama koje zvuče gotovo besmisleno. Turyshev u radu zanemaruje učinke koji bi promijenili rad sata za manje od 5 × 10⁻¹⁸. To odgovara nakupljenoj pogrešci od oko 0,1 pikosekunde.

Za usporedbu, u toliko vremena svjetlost prijeđe približno 0,03 milimetra.

No svemirske misije ne ovise o ljudskom osjećaju vremena. Ovise o preciznim signalima, položajima, korekcijama putanja i sinkronizaciji instrumenata. Ako se sustav oslanja na satelite, rovere, komunikacijske veze i letjelice koje godinama rade zajedno, male razlike više nisu samo fusnota u fizici.

U niskoj orbiti oko Marsa, na visini od oko 300 kilometara, satelit bi imao sat koji kasni oko 4,56 mikrosekundi na dan u odnosu na sat na površini Marsa. Razlog je velika orbitalna brzina potrebna da satelit ostane na takvoj putanji.

U areostacionarnoj orbiti stanje se mijenja. Ondje je letjelica dalje od planeta i giba se sporije, pa bi njezin sat išao brže za oko 9,13 mikrosekundi na dan u odnosu na površinu.

Takve brojke ne zvuče dramatično dok se promatraju kroz jedan dan. Tijekom mjeseci i godina, u sustavu koji mora precizno određivati položaje i vremena prijenosa signala, razlike se počinju nakupljati. Za buduću marsovsku infrastrukturu to bi moglo značiti pogreške u navigaciji, komunikaciji ili koordinaciji autonomnih sustava.

Još su zahtjevnije jako izdužene orbite. Takve putanje mogle bi se koristiti za komunikacijske satelite koji prolaze blizu Marsovih polarnih područja, a zatim odlaze mnogo dalje od planeta. U takvim orbitama brzina i gravitacijski uvjeti stalno se mijenjaju. Sat letjelice tada se ne može jednostavno “ispraviti” jednom korekcijom. Njegovo vlastito vrijeme mora se računati duž cijele putanje.

Marsova građa komplicira svaki pokušaj preciznog mjerenja vremena

Mars na prvi pogled djeluje kao jednostavniji svijet od Zemlje. Nema oceane, gustu atmosferu ni tektoniku ploča kakvu poznajemo na našem planetu. No za relativistički satni sustav Mars je daleko od pravilnog tijela.

Planet nije savršena kugla. Njegovu površinu obilježavaju golema uzvišenja, duboki udarni bazeni, neravnomjerna raspodjela mase i blago ispupčenje oko ekvatora. Sve to mijenja Marsovo gravitacijsko polje, a time i vrlo male razlike u protoku vremena za satove na površini i u orbiti.

Turyshev zato u izračun uključuje gravitacijski model GMM-3, koji opisuje kako se masa Marsa raspoređuje kroz planet. Prema njegovim rezultatima, samo ekvatorsko ispupčenje može stvoriti periodičan vremenski signal od oko 87 pikosekundi za satelit koji nisko kruži oko Marsa.

U račun ulazi i Marsovo kretanje oko Sunca. Marsova orbita znatno je izduženija od Zemljine, pa se Sunčev gravitacijski utjecaj na prostor oko planeta mijenja tijekom marsovske godine. Kada je Mars najbliže Suncu, taj učinak postaje izraženiji. Za preciznu navigaciju rovera i satelita takve razlike više se ne mogu jednostavno zanemariti.

Ni Fobos i Deimos, dva mala Marsova mjeseca, nisu potpuno nevažni. Njihova gravitacija je slaba, ali letjelica koja im se dovoljno približi mora računati i s njihovim utjecajem. U sustavu koji traži ekstremnu preciznost, čak i mali gravitacijski poremećaji postaju dio vremenskog proračuna.

Dodatnu poteškoću stvara Marsova atmosfera. Planet ima snažan sezonski ciklus ugljikova dioksida. Tijekom zime dio CO₂ smrzava se i taloži na polarnim kapama, a tijekom ljeta ponovno prelazi u atmosferu. Ta sezonska preraspodjela velike količine plina mijenja raspored mase na planetu, a s njim i Marsovo gravitacijsko polje.

Prema Turyshevu, te promjene još nisu dovoljno dobro opisane da bi se mogle potpuno uključiti u marsovski vremenski sustav. Zbog toga sustav koji bi na Marsu radio s točnošću ispod pikosekunde zasad ostaje izvan dosega

Marsovsko vrijeme morat će nastati prije marsovske svakodnevice

Turyshevljev rad ne gradi gotov sustav za buduću ljudsku koloniju. On postavlja matematičke temelje za marsovsku vremensku efemeridu, skup izračuna i pravila koji bi povezao satove na površini, u orbiti i u širem Sunčevu sustavu.

To danas može zvučati prerano. Mars još nema ljudsku postaju, lokalnu navigacijsku mrežu ni stalnu infrastrukturu koja bi tražila takvu razinu sinkronizacije.

No povijest svemirskih letova pokazuje da se precizno vrijeme ne može naknadno improvizirati. Navigacija među planetima, slijetanje na površinu, komunikacija s roverima, upravljanje satelitima i rad znanstvenih instrumenata oslanjaju se na točne vremenske oznake. Što sustav postaje složeniji, to je manje prostora za nejasnoće.

Budući Mars neće trebati samo lokalni kalendar i naziv za marsovski dan. Trebat će mu vremenski sustav koji razumije relativnost, gravitaciju planeta, gibanje satelita, utjecaj Sunca, Marsove mjesece i sezonske promjene atmosfere.

Drugim riječima, prije nego što Mars dobije pravu koloniju, morat će dobiti vlastito precizno vrijeme.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.