Een wetenschappelijk onderzoeksteam van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft onlangs voor het eerst systematisch het verschil in tijdsverloop tussen Mars en de aarde berekend, wat een belangrijke referentie oplevert voor het toekomstige buitenaardse tijdmeetsysteem. Uit nieuw onderzoek gepubliceerd in The Astronomical Journal blijkt dat klokken op Mars gemiddeld ongeveer 477 microseconden, oftewel een miljoenste van een seconde, sneller per dag lopen dan die van de aarde. Hoewel dit verschil extreem klein is, heeft het een belangrijke technische betekenis in navigatie- en communicatiesystemen die afhankelijk zijn van uiterst nauwkeurige tijdsynchronisatie.

Onderzoek wijst uit dat dit tijdsverschil niet constant is, maar periodiek fluctueert met veranderingen in de baan van Mars rond de zon. Vanwege de hoge excentriciteit van de baan van Mars, de niet-standaard cirkelbaan en de gecombineerde effecten van de zwaartekracht van de zon, de aarde, de maan en andere planeten, kan het gemiddelde dagelijkse tijdsverschil binnen een Marsjaar variëren binnen een maximaal bereik van ongeveer 226 microseconden. De wetenschappers identificeerden ook kleinere herhalende variatiepatronen die verband houden met de synodische periode, kleine fluctuaties van ongeveer 40 microseconden per dag, die de langzame accumulatie en het toenemen en afnemen van tijdsafwijkingen weerspiegelen die worden veroorzaakt door de verschillende geometrische arrangementen van de meerdere lichamen van het zonnestelsel.

Om een ​​nauwkeurige schatting te kunnen geven, vergeleek het NIST-onderzoeksteam Mars systematisch met de aarde en de maan, waarbij de nadruk lag op de analyse van de zogenaamde 'relativistische intrinsieke tijd'. De zogenaamde intrinsieke tijd verwijst naar de tijd die daadwerkelijk wordt gemeten door een klok op een bepaalde locatie in het kader van Einsteins relativiteitstheorie. Het hangt af van de sterkte van het zwaartekrachtveld en de snelheid van hemellichamen op die locatie. De onderzoeksresultaten bevestigden opnieuw de basisvoorspellingen van de algemene relativiteitstheorie: hoe sterker de zwaartekracht, hoe langzamer de klok loopt; hoe zwakker de zwaartekracht, hoe sneller de klok loopt. “Maan- en Marsonderzoek is nog nooit zo relevant geweest, en we zijn nog nooit zo dichtbij de sciencefictionvisie geweest van uitbreiding naar alle delen van het zonnestelsel”, zegt NIST-natuurkundige Bijunath Patla.

Anders dan het bekende 'een dag op Mars is ongeveer 40 minuten langer dan de aarde en een jaar is gelijk aan 687 aardse dagen', ligt de kernfocus van dit onderzoek op 'de snelheid van het verstrijken van de tijd zelf'. Volgens de veronderstelling van het onderzoeksteam zal een uiterst nauwkeurige atoomklok die op het oppervlak van Mars wordt ingezet, lokaal normaal functioneren. Vergeleken met een atoomklok die op aarde is geplaatst, zullen de twee echter een langzame maar continue tijdverschuiving ervaren als gevolg van verschillen in zwaartekracht en beweging. Dit betekent dat toekomstige interplanetaire navigatie- en communicatiesystemen de "tijdsnelheidsafwijking" tussen planeten nauwkeurig moeten berekenen en corrigeren, op dezelfde manier als het omgaan met intercontinentale en tijdoverschrijdende zones.

In termen van specifieke methoden hebben de onderzoekers een referentieoppervlak voor Mars vastgesteld en de zwaartekrachtsverstoringen van de zon, de aarde, de maan en andere planeten in een uniform model verwerkt. Dit komt overeen met de introductie van een vierde massief hemellichaam op basis van het oplossen van het klassieke "drielichamenprobleem", waardoor de berekening van de systeemdynamiek ingewikkelder wordt. Ze beschreven eerst de beweging van Mars met de ideale elliptische baan van Kepler, legden vervolgens de effecten van de zwaartekracht van meerdere lichamen, zonnegetijden, enz. over elkaar heen, en gaven uiteindelijk de fijne correctie van de intrinsieke tijd van Mars ten opzichte van de aarde. Deze relativistische intrinsieke tijdsverschillen, de zogenaamde "intrinsieke tijdsverschuivingen", vormen de theoretische basis voor interplanetaire klokvergelijking en -kalibratie. Patla klaagt: “Het echt harde werk was veel ingewikkelder dan ik aanvankelijk dacht.”

Hoewel het verschil van een paar honderd microseconden per dag in het dagelijks leven bijna onmerkbaar is, is het voldoende om ervoor te zorgen dat fouten zich ophopen in precisietechnologiesystemen. Mobiele communicatienetwerken en satellietnavigatiesystemen op de moderne aarde zijn allemaal afhankelijk van tijdsynchronisatie op nanosecondenniveau of zelfs kleiner om de positionering en gegevensoverdracht te voltooien. Voor communicatie in de diepe ruimte tussen de aarde en Mars variëren de huidige voortplantingstijden van eenrichtingssignalen van ongeveer 4 tot 24 minuten, afhankelijk van de relatieve posities van de twee sterren in hun respectievelijke banen. Onderzoekers zijn van mening dat als er in de toekomst een verenigd en zeer nauwkeurig ‘planetair tijdsysteem’ kan worden opgezet, dit naar verwachting de verwarring en verkeerde inschattingen bij navigatie en gegevensuitwisseling tot op zekere hoogte zal verminderen. Patla zei: “Zodra strikte synchronisatie is bereikt, zal de communicatie-ervaring net zo soepel verlopen als bijna realtime, en zal er niet langer informatie verloren gaan tijdens het wachten op de resultaten.”

Het wetenschappelijke onderzoeksteam benadrukte ook dat een compleet en volwassen interstellair communicatienetwerk nog steeds verre van realiteit is, maar dat het uitvoeren van onderzoek naar verschillen in tijdsgedrag nu een solide basis kan leggen voor toekomstige systemen. Neil Ashby, die aan het onderzoek deelnam, wees erop dat het enkele decennia kan duren voordat het oppervlak van Mars "bedekt" zal zijn met de sporen van meer rovers, maar het is noodzakelijk om van tevoren de belangrijkste kwesties van het opzetten van navigatiesystemen op andere planeten en satellieten te bestuderen. Net als het huidige Global Positioning System (GPS) zal dit type toekomstig interplanetair navigatienetwerk ook uiterst nauwkeurige klokken als kern hebben. De impact van het zwaartekrachtveld van elk hemellichaam op de kloksnelheid moet kwantitatief worden geanalyseerd met behulp van Einsteins algemene relativiteitstheorie. nieuw

Patla verklaarde verder dat dit onderzoek niet alleen het eerste systematische antwoord biedt op de Mars-tijd, maar ook het menselijke begrip van tijd en relativiteit zelf tot op zekere hoogte verrijkt. "Voor het eerst weten we echt hoe de tijd op Mars verstrijkt in relativistische zin - niemand heeft eerder een volledig antwoord gehad", zei hij. Volgens hem heeft dit werk ons ​​algemene begrip van ‘hoe klokken tikken’ en de algemene relativiteitstheorie verbeterd, en een theoretische en technische basis gelegd voor de toekomstige inzet van uiterst nauwkeurige tijd- en navigatiesystemen op de maan, Mars en zelfs verder in de ruimte.