56微秒的較量：中國率先破解月球計(jì)時(shí)難題

隨著全球新一輪登月熱潮的到來，中國科研人員發(fā)布了全球首款“月球計(jì)時(shí)軟件”，該工具可以為精準(zhǔn)導(dǎo)航和著陸提供支持。

事實(shí)上，由于月球引力比地球弱，根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，月球上的時(shí)鐘要比地球跑得稍快一些，每天大約快56微秒。這個(gè)差別看似微不足道，但在以公里每秒速度運(yùn)動(dòng)的航天器導(dǎo)航中，微秒的誤差累積起來，足以讓著陸點(diǎn)偏差上百米。

在過去，由于月球任務(wù)稀少，月球與地球時(shí)鐘的差異影響甚微。工程師們通常采用地球時(shí)間，并在必要時(shí)為每次任務(wù)進(jìn)行修正。但隨著多國探測(cè)器以及越來越多的宇航員將同時(shí)在月球表面和軌道工作，臨時(shí)修正已行不通了。大家迫切需要一塊可靠的“月球統(tǒng)一時(shí)間”。

為了解決這一問題，中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了兼顧月球弱重力與空間運(yùn)動(dòng)的模型，實(shí)現(xiàn)月球時(shí)間與地球時(shí)鐘的精準(zhǔn)同步。

據(jù)發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》12月刊的論文顯示，該方法在長(zhǎng)達(dá)千年的觀測(cè)中仍能保持?jǐn)?shù)十納秒的精度。研究團(tuán)隊(duì)還將模型封裝為即用型軟件，用戶只需一步即可比對(duì)月球與地球時(shí)間，無需復(fù)雜運(yùn)算。

哈佛大學(xué)天文學(xué)家兼太空歷史學(xué)家麥克道威爾指出，月球計(jì)時(shí)正從一個(gè)依賴地球的臨時(shí)方案，轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲墓こ绦枨蟆Ｋf：“微秒級(jí)的微小誤差在導(dǎo)航系統(tǒng)中會(huì)迅速放大，影響分鐘級(jí)的時(shí)間計(jì)算精度，如果你想在月球上建立類似GPS的定位導(dǎo)航系統(tǒng)（未來幾年很可能實(shí)現(xiàn)），就必須解決這一問題。”

中國團(tuán)隊(duì)所做的，正是將國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)2024年提出的“建立月球時(shí)間基準(zhǔn)”的框架構(gòu)想，率先變成了可以實(shí)操的工具。

他們首先利用月球運(yùn)動(dòng)的精密數(shù)據(jù)，追蹤月地時(shí)差隨時(shí)間的變化規(guī)律。隨后將這些計(jì)算整合為自動(dòng)化軟件包，使用戶無需自行執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)算，即可直接比對(duì)月球與地球的時(shí)間。論文數(shù)據(jù)顯示，這個(gè)模型即使累計(jì)計(jì)算1000年，誤差也不超過兩千萬分之1秒——精度極高。

該軟件被命名為L(zhǎng)TE440（月球時(shí)歷表的縮寫）。用戶只需要輸入一個(gè)地球時(shí)間點(diǎn)，軟件就能立即給出對(duì)應(yīng)的、校準(zhǔn)了引力與速度效應(yīng)的月球時(shí)間。這一步“化繁為簡(jiǎn)”，是走向真正實(shí)用化的關(guān)鍵。

麥克道威爾表示，盡管美國等國家也有相關(guān)研究，但像這樣直接可用的解決方案還未曾出現(xiàn)。“這凸顯了中國對(duì)月球探索的認(rèn)真態(tài)度，以及在月球研究領(lǐng)域展現(xiàn)的開放性和實(shí)用性”。

中國團(tuán)隊(duì)表示，當(dāng)前的只是初步成果，未來需擴(kuò)展功能以支持實(shí)時(shí)導(dǎo)航及月球時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。