【科技與人文】月球上現在幾點了？

耗資 930 億美元的宇航員重返月球計劃正在啟動。未來十年將見證月球探索的復興——包括數十項任務和在月球上建立永久性基地的計劃。這些努力帶來了無數挑戰。其中有一個微妙但基本的問題，全世界的計量學家都在努力回答這個問題：月球上現在幾點了？

文/ 葉德輝 綜合報導

伊麗莎白·吉布尼(Elizabeth Gibney)發表在1 月 24 日《自然》(Nature)期刊上的一篇<月球上現在幾點？> (What time is it on the Moon?)說：「用於月球定居點的衛星導航系統將需要當地的原子鐘。科學家們正在研究他們將保留多長時間。」(Satellite navigation systems for lunar settlements will require local atomic clocks. Scientists are working out what time they will keep.)

「我們才剛剛開始佈局，」在位於馬里蘭州格林貝爾特的 NASA 戈達德太空飛行中心領導定位、導航和計時團隊的航空航天工程師謝麗爾·格拉姆林 (Cheryl Gramling) 說。

月球目前沒有獨立的時間。每個月球任務都使用自己的時間尺度，通過其在地球上的處理者，該時間尺度與協調世界時或UT c（地球時鐘設定的標準）相關聯。但這種方法相對不精確，探索月球的航天器之間的時間並不同步。這種方法在月球承載少量獨立任務時有效，但當有多艘飛船一起工作時就會出現問題。太空機構還希望使用依賴於精確定時信號的衛星導航來跟踪它們。

目前尚不清楚通用月球時間會採取什麼形式。由於兩個物體的引力場不同，地球和月球上的時鐘自然以不同的速度滴答作響。官方陰曆時間可以基於與UTC同步的時鐘系統，也可以獨立於地球時間。

2022 年 11 月，全球空間機構和學術組織的代表在位於荷蘭諾德韋克的歐洲航天局 (ESA) 歐洲空間研究和技術中心舉行會議，開始起草關於如何定義月球時間的建議。

法國塞夫爾國際度量衡局時間部門負責人 Patrizia Tavella 說，必須盡快做出決定。她說，如果沒有建立官方的月球時間，太空機構和私營公司將提出自己的解決方案。「這就是為什麼我們現在要發出警報，說讓我們共同努力做出共同的決定。」

對月球時間的最迫切需求來自於為月球創建專用全球衛星導航系統 (GNSS) 的計劃，類似於 GPS 和其他衛星導航網絡如何在地球上實現精確位置跟踪。航天機構計劃從 2030 年左右開始安裝這個月球 GNSS。歐洲航天局於 2022 年 11 月 22 日至 23 日在巴黎舉行的部長級理事會會議上批准了一項名為「月光」的月球衛星導航項目，美國宇航局也建立了一個類似的項目，名為「月球通信中繼和導航系統」，去年一月。

到目前為止，月球任務都是利用定時發送到地球上大型天線的無線電信號來確定它們的位置。但是，由於規劃了數十項任務，「沒有足夠的資源來覆蓋所有人」，在戈達德中心從事月球導航工作的工程師喬爾·帕克 (Joel Parker) 說。

作為第一步，從 2024 年開始，ESA 和 NASA 將嘗試使用來自地球飛行器的微弱衛星導航信號來推導月球上的位置。接下來，月球 GNSS 項目計劃在月球周圍放置專用衛星，每顆衛星都包含自己的原子鐘。一個接收器，例如在月球表面上，然後將使用衛星信號到達它所花費的時間來三角測量它的位置。歐空局月光項目工程師約爾格·哈恩 (Jörg Hahn) 表示，歐空局已計劃建立一個由四艘航天器組成的初始星座，這些航天器將覆蓋月球南極的導航，那裡蘊藏著月球的大部分水，是一個重要的探索目標。

哈恩說，月球任務還需要一個官方的月球時間來合作和交流。「這一切都必須追溯到一種時間參考，否則你就會混亂，事情就不會在一起。」

哈恩說，另一個懸而未決的問題是宇航員是否會在月球上的任何地方都使用通用農曆時間。儘管月球時間仍將是官方時間尺度，但它的用戶可能會像地球上的用戶一樣，希望在與太陽在天空中的位置相關聯的時區中對其進行偏移。對於計量學家來說，這不是一個問題，而是一個慣例。「當有人真的住在月球上時，我認為這是有道理的，」他說。

定義農曆時間並不簡單。儘管秒的定義在任何地方都是相同的，但狹義相對論規定時鐘在更強的引力場中走得更慢。月球的引力比地球的引力弱，這意味著，對於地球上的觀察者來說，月球時鐘會比地球時鐘走得更快。Gramling 估計月球時鐘在 24 小時內將增加約 56 微秒。Tavella 說，與地球上的時鐘相比，由於月球的自轉，時鐘的速度也會根據其在月球表面的位置發生微妙的變化。「這是相對論專家的天堂，因為你必須考慮很多事情，」她補充道。

定義一個與所有時鐘進行比較的月球標準，將涉及安裝至少三個主時鐘，這些主時鐘以月球的自然速度滴答作響，其輸出通過算法組合以生成更準確的「虛擬」計時器。

然後會發生什麼取決於計量學家選擇的選項。他們可能決定以UTC為基礎的農曆時間。在那種情況下，這個虛擬月球時間將定期與地面UTC同步。在簽到之間，月球主時鐘會保持計時，直到下一次同步。這樣做的好處是地球上的用戶可以簡單地與之交互。

另一種方法是使用月球原子鐘的合成輸出作為月球自身獨立的連續時間，並追踪它與UTC的關係。這樣一來，即使與地球的聯繫中斷，月球上的時鐘仍然會彼此一致，並允許安全的導航和通信，格拉姆林說。建立獨立時間是一種模式，也適用於太空機構最終瞄準的更遙遠的行星，例如火星。她補充說，將UTC傳輸到月球比傳輸到月球要復雜得多。

在這種情況下，月球上的日子甚至可以與地球上的日子定義不同，以說明從太陽正午到太陽正午的時間平均需要 29.5 個地球日。地球日對宇航員來說總是很重要，因為人類需要大約 24 小時的睡眠週期。但定義是計量學家需要達成一致的。

計量學家還需要決定在月球上放置主時鐘的位置。與在地球上一樣，設備的高度會影響滴答速度。哈恩說，時鐘可能在月球軌道上或表面上。「這就是我們現在正在與 NASA 同事討論的問題。」

太空機構也在考慮其他必要的標準——例如哪些月球地形圖和坐標系用於導航——通過機構間行動諮詢小組、國家太空機構理事會和聯合國全球導航衛星系統國際委員會。Gramling 說，為了使不同國家的系統具有互操作性，參考系統必須在國際上達成一致。

在 ESA 的幫助下，NASA 正在開發一個名為 LunaNet 的框架，它希望為此獲得國際支持。LunaNet 由一組規則組成，這些規則將使所有月球衛星導航、通信和計算系統形成一個類似於互聯網的單一網絡，而不管它們安裝在哪個國家。設置農曆時間是更大範圍的一部分。

「我們的想法是建立一個太陽系互聯網，」格拉姆林說。「第一部分將在月球上進行。」