月球定居第一步：月亮上几点了？

• 2023-03-14 11:56:18 来源：凤凰网

原文作者：Elizabeth Gibney

用于月球定居的卫星导航系统需要使用本地原子钟。科学家正在热烈讨论他们应该使用哪种时间。

(资料图片)

接下来的十年里，月球探索的热潮将再次兴起——包括数十次发射任务，以及在月球上建立永久基地的计划。这些尝试面临着巨大的挑战，其中有一个微妙但根本的问题——一个全世界计量学家都在努力回答的问题：月球上几点了？

美国航天局（NASA）戈达德航天中心的定位、导航与计时团队负责人、航天工程师Cheryl Gramling说：“我们现在才刚刚开始考虑这个问题。”

各国科学家和航天机构尚未就如何定义月球时间达成一致。来源：NASA Goddard

月球目前没有独立的时间。每项探月计划都会使用自己的时间尺度，并通过地球上的处理器转换成协调世界时（coordinated universal time，UTC）。协调世界时是地球上设定时钟的基准。但这个方法相对来说不算精确，并且不同的月球探测器之间不会同步时间。在独立探月任务还寥寥可数的年代，这个方法还是管用的，但当多个探测器需要合作的时候，问题就来了。航天机构需要利用卫星导航给探测器定位，而这也离不开精确的时间信号。

通用月球时间应当采取哪种形式并没有显而易见的答案。地球的时钟和月球的时钟天然以不同的速度走时，因为两个天体的引力场不同。官方月球时间可能会基于设计上能和UTC同步的时钟系统，也可能完全脱离于地球时间。

2022年11月，全球航天机构和学术组织的代表在欧洲空间局（ESA）的欧洲空间研究与技术中心召开会议，开始起草关于如何定义月球时间的建议。

国际计量局时间部部长Patrizia Tavella说，必须尽快定下来了。如果不确立官方月球时间，航天机构和私人公司就会各按各的方案行事。她说：“这就是我们为什么要拉响警报，召集大家合作制定一个共通的方案。”

卫星定位

想要确定月球时间，最迫切的需求是为月球制定一套专门的全球导航卫星系统（GNSS）——这与地球上用来进行精确定位的GPS等导航卫星系统类似。各个航天机构计划从2030年前后开始安装月球GNSS。ESA已经于2022年11月22-23日在巴黎召开的部长理事会上批准了月球卫星导航项目——“月光”（Moonlight），而NASA也在去年1月启动了类似项目——“月球通信中继与导航系统”（Lunar Communications Relay and Navigation Systems）。

目前为止，月球探测器想要确定位置，就要在预定时间向地球上的大型天线发射无线电信号。但如果有好几十个任务同时进行，“就没有那么多资源照顾所有人了”，在戈达德中心从事月球导航工作的工程师Joel Parker说道。

来源：NASA

第一步，ESA和NASA将从2024年开始试点使用基于地球探测器发射的微弱卫星导航信号计算月球上的位置。下一步，月球GNSS计划将在月球周围部署专用卫星，每颗卫星都自带原子钟（见“月球上的卫星导航”）。例如，月球表面的接收器可以根据接收到来自卫星信号的时间，使用三角测绘法计算其位置。ESA还计划部署第一批共四个探测器，来覆盖月球南极点周围的定位。ESA“月光”计划的工程师Jörg Hahn表示，南极点储存着月球上大部分的水源，是重要的探索目的地。

不同的探月任务也要借助官方月球时间来实现合作与通讯，Hahn说，“这些任务都要参照统一的时间基准，否则就会一片混乱，毫无协作可言。”

Hahn说，另一个未知问题是各国宇航员是否会在月球上使用统一的月球时间。虽然“月球时间”将作为官方时间尺度，但和在地球上一样，使用者可能会根据太阳在天空中的位置调整时区。这不是计量学家需要解决的问题，而更多的是习惯问题。他说：“当真的有人住到月球上的那一天，我觉得这些考虑是很合理的。”

拆解时间

定义月球时间没这么简单。虽然“秒”的定义在哪里都一样，但广义相对论告诉我们，时钟在引力场更强的地方会变慢。月球的引力比地球弱，也就是说从地球上观察，月球钟会比地球钟走得更快。Gramling估计，月球钟每24小时会多走56微秒。因为月球的自转，和地球上的钟相比，月球钟的速度还会根据它在月面的位置发生微妙的变化。Tavella说：“这是相对论专家的天堂，因为你得考虑好多好多因素。”

定义月球标准——也就是所有时钟的比较标准——需要安装至少三台主时钟，这些钟以月球的自然节奏走时，然后用一个算法将这些钟的时间综合起来，生成一台更精确的虚拟计时器（见“如何建造月球钟”）。

之后的事情就取决于计量学家的选择了。他们可能会决定基于UTC设定月球时。那样的话，虚拟的月球时就需要定期和地球上的UTC同步。在两次对钟的间隔，月球上的主时钟会继续计时，直到下一次对钟为止。这种做法的好处是与地球上的使用者互动起来较为方便。

来源：NASA

另一种选择是使用月球上原子钟的综合输出，直接作为月球的独立连续时间，再记录它和UTC的关系。这样的话，即使和地球之间的连接断开了，月球钟之间还是能互相统一，实现安全的导航和通讯，Gramling解释道。建立独立的时间系统是一种对火星等更远行星也管用的模式，而这也是航天机构的长远目标。她说，把UTC传到火星比传到月球更难。

这种情况下，月球上的一天甚至可能可以采用和地球不同的定义，这样就可以切合月球上两个正午间平均相隔29.5个地球日的事实。地球日对航天员的重要性不言而喻，因为人类基本是以24小时为周期作息。但具体定义仍要等计量学家达成一致。

计量学家还需要决定在月球上的什么位置放置主时钟。和在地球上一样，时钟的海拔也会影响钟的走速。时钟可以放在月球轨道上，也可以放在月面上，Hahn说，“我们现在正和NASA的同行们讨论这个问题。”

航天机构还在商讨其他必需统一的标准——例如定位使用哪种月面地图和坐标系统。为此各国航天局与联合国GNSS国际委员会专门成立了“机构间行动咨询组”。Gramling说，为了让不同国家的系统之间可以协作，参考系统也必须达成国际共识。

在ESA的帮助下，NASA正在开发一套叫做LunaNet的框架，并希望这套框架可以得到各国认可。LunaNet有一套规则，可以让所有月球卫星导航、通信和计算系统接入同一个网络，无论在哪个国家安装都不影响，就和互联网差不多。确立月球时间只是这个宏伟目标的一小步。

“这里的想法是打造一个太阳系互联网，”Gramling说，“而第一步就是把月球上的那部分做出来。”

原文以What time is it on the Moon?标题发表在2023年2月2日《自然》的新闻版块上

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