Investigadores descubren cómo sincronizar los relojes de la Tierra y la Luna

Hoy en día, el tiempo lo es todo. Todas nuestras comunicaciones y redes GPS dependen de realizar un seguimiento cuidadoso de la sincronización precisa de las señales, incluida la contabilidad de los efectos de la relatividad. Cuanto más nos adentramos en un pozo de gravedad, más lento pasa el tiempo y hemos llegado al punto en el que podemos detectar diferencias de altitud de un solo milímetro. El tiempo literalmente avanza más rápido en la altitud donde se encuentran los satélites GPS que en los relojes ubicados en la superficie de la Tierra. Para complicar aún más las cosas, esos satélites se mueven a gran velocidad, un efecto que ralentiza las cosas.

Es relativamente fácil tener esto en cuenta en la Tierra, donde estamos tratando con un único conjunto de ajustes que pueden programarse en la electrónica que debe realizar un seguimiento de estas cosas. Pero hay planes en marcha para enviar una amplia gama de hardware a la Luna, que tiene un campo gravitacional significativamente menor (¡relojes más rápidos!), lo que significa que los objetos pueden permanecer en órbita a pesar de moverse más lentamente (¡relojes más rápidos!).

Sería fácil crear un sistema equivalente para rastrear el tiempo en la Luna, pero eso inevitablemente haría que los relojes no estuvieran sincronizados con los de la Tierra, un problema grave para cosas como las observaciones científicas. De ahí que la Unión Astronómica Internacional tiene una resolucion lo que requiere un «Sistema de Referencia Celestial Lunar» y un «Tiempo de Coordenadas Lunares» para manejar las cosas allí. El lunes, dos investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Neil Ashby y Bijunath Patla, hicieron los cálculos para mostrar cómo podría funcionar.

mantener el tiempo

Nos estamos preparando para explorar la Luna. Si todo va según lo planeado, China y un consorcio liderado por Estados Unidos enviarán más misiones no tripuladas, lo que podría conducir a una presencia humana permanente. Tendremos un conjunto cada vez mayor de hardware y, eventualmente, instalaciones en la superficie lunar. Rastrear un puñado de objetos a la vez fue suficiente para las misiones Apolo, pero es posible que las misiones futuras deban aterrizar en ubicaciones precisas y, posiblemente, viajar entre ellas. Esto hace que el equivalente a un GPS lunar sea valioso, como señala el NIST en su comunicado de prensa anunciando el trabajo.

Todo esto podría potencialmente ser manejado por un sistema de posicionamiento lunar independiente, si estamos dispuestos a aceptar que marcha a su propio ritmo temporal. Pero esto se convertirá en un problema si eventualmente hacemos cosas como realizar astronomía desde la Luna, ya que el momento preciso de los eventos será fundamental. Permitir dos sistemas separados también significaría intercambiar todos los sistemas de sincronización a bordo de los vehículos mientras viajan entre los dos.

Se ha elaborado la teoría de cómo afrontar la creación de un sistema único. Pero la viabilidad de hacerlo quedó como ejercicio para futuros investigadores. Pero, aparentemente, el futuro es ahora.

Ashby y Patla trabajaron en el desarrollo de un sistema en el que cualquier cosa pudiera calcularse con referencia al centro de masa del sistema Tierra/Luna. O, como lo expresan en el artículo, su sistema matemático «nos permite comparar velocidades de reloj en la Luna y puntos cislunares de Lagrange con relojes en la Tierra usando una métrica apropiada para un marco de referencia local en caída libre, como el centro de masa de el sistema Tierra-Luna en el campo gravitacional del Sol».

¿Cómo se ve? Bueno, muchas ecuaciones derivadas. El cuerpo del documento contiene 55 y hay 67 más en los apéndices. Entonces, gran parte del documento termina luciendo así.

Las cosas se complican porque hay muchos factores a considerar. Están los efectos de las mareas del Sol y de otros planetas. Todo lo que hay en la superficie de la Tierra o de la Luna se mueve debido a la rotación; otros objetos se mueven mientras están en órbita. La influencia gravitacional sobre el tiempo dependerá de dónde se encuentre un objeto. Entonces, hay mucho que seguir.

Preparado para el futuro

Ashby y Patla no tienen por qué tenerlo todo en cuenta en cada circunstancia. Algunos de estos factores son tan pequeños que sólo serán detectables con un reloj de muy alta precisión. Otros tienden a anularse entre sí. Sin embargo, utilizando su sistema, pueden calcular que un objeto cerca de la superficie de la Luna captará 56 microsegundos adicionales cada día, lo cual es un problema en situaciones en las que dependemos de medir el tiempo con una precisión de nanosegundos.

Y los investigadores dicen que su enfoque, aunque se centra en el sistema Tierra/Luna, es no obstante generalizable. Esto significa que debería ser posible modificarlo y crear un sistema de referencia que funcione tanto en la Tierra como en cualquier otro lugar del Sistema Solar. Lo cual, dada la velocidad a la que hemos estado enviando cosas más allá de la órbita terrestre baja, probablemente sea una buena medida de preparación para el futuro.

Revista Astronómica, 2024. DOI: 10.3847/1538-3881/ad643a (Información DOI).