ساعت در مریخ چند است؟ فیزیکدانان NIST پاسخ را دارند.
- دانشمندان NIST محاسبه کردهاند که ساعتهای مریخ بهطور متوسط روزی ۴۷۷ میکروثانیه سریعتر از ساعتهای زمین میزنند.
- این محاسبه برای ناوبری فضایی و شبکههای ارتباطی آینده ضروری است.
- درک چگونگی کار ساعتها در سیارات دیگر، دانش فیزیکدانان درباره نظریههای نسبیت اینشتین را گسترش میدهد.
این تصویر از دوربین مدارگرد مریخ (Mars Orbiter Camera) متعلق به پروژهٔ Mars Global Surveyor، ناحیهٔ آرِسوالیس و دشتهای کریس را نشان میدهد؛ هر دو مأموریت اولیه مریخ، Mars Pathfinder (۱۹۹۷) و Viking 1 (۱۹۷۶)، در این مناطق فرود آمدند. برای برنامهریزی مأموریتهای آینده به مریخ، دانشمندان باید بفهمند زمان بر روی مریخ چگونه میگذرد تا بتوانند ارتباطات با روباتهای اکتشافی این سیارهٔ سرخ را بهتر هماهنگ کنند.
منبع: NASA/JPL/MSSS
اگر از کسی روی زمین بپرسید ساعت چند است، او میتواند پاسخی دقیق بدهد؛ چرا که سیستم زمانسنجی پیشرفتهٔ سیارهمان، که با ساعتهای اتمی، ماهوارههای GPS و شبکههای مخابراتی پرسرعت ساخته شده است، این امکان را فراهم میکند.
اما اینشتین نشان داد که ساعتها در سراسر جهان با سرعت یکسانی تیک نمیزنند. بسته به شدت گرانش محیط، ساعتها کمی سریعتر یا آهستهتر میکارند، که همگامسازی ساعتهای ما در زمین و بهخصوص در سراسر نظام خورشیدی عظیم را دشوار میکند. اگر بشر بخواهد حضور بلندمدت در سیارهٔ سرخ برقرار کند، دانشمندان باید بدانند: ساعت در مریخ چند است؟
فیزیکدانان مؤسسهٔ ملی استانداردها و فناوری (NIST) برای اولین بار پاسخ دقیق محاسبه کردهاند. بهطور متوسط، ساعتهای مریخ روزانه ۴۷۷ میکروثانیه (میلیونثانیه) سریعتر از ساعتهای زمین میزنند. اما مدار کجفاصلهٔ مریخ و گرانش همسایگان سماویاش میتواند این مقدار را تا ۲۲۶ میکروثانیه در هر روز در طول سال مریخانه افزایش یا کاهش دهد. این یافتهها که تازه در مجلهٔ نجومی منتشر شدهاند، دنبالکننده پژوهشی در سال ۲۰۲۴ است که در آن فیزیکدانان NIST طرحی برای زمانسنجی دقیق بر روی ماه ارائه دادند.
فهم نحوه تپش ساعتها بر روی مریخ، گامی اساسی برای مأموریتهای فضایی آینده است، گفت فیزیکدان NIST، بیجونات پتلا. همانطور که ناسا مأموریتهای اکتشافی مریخ را برنامهریزی میکند، درک زمان بر روی همسایهٔ سیارهایمان بههمتای کردن ناوبری و ارتباطات در سراسر نظام خورشیدی ما کمک خواهد کرد.
«زمان برای ماه و مریخ دقیقاً مناسب است»، پتلا گفت. «این نزدیکترین قدم ما به تحقق چشمانداز علمی‑تخیلی گسترش در سراسر نظام خورشیدی است.»
منطقهٔ زمانی مریخ
روزها و سالهای مریخ از روزها و سالهای زمین طولانیترند. روز این سیاره، یعنی یک چرخش کامل حول محور خود، ۴۰ دقیقه بیشتر از روز زمین است، و برای کامل کردن مدار خود به دور خورشید ۶۸۷ روز میگیرد، در حالی که زمین تنها ۳۶۵ روز میگیرد. اما دانشمندان باید بدانند هر ثانیه بر روی مریخ چقدر سریع یا آهسته نسبت به زمان در زمین میگذرد.
اگر با یک ساعت اتمی به سطح مریخ فرود آمدید، ساعت همچنان همانگونه که روی زمین تیک میزند، کار خواهد کرد. اما اگر ساعت مریخ را با ساعت زمینی مقایسه کنید، این دو هماهنگ نخواهند بود. چالش این است که میزان اختلاف زمان مریخ نسبت به زمان زمین را تعیین کنیم، تقریباً همانند محاسبهٔ اختلاف ساعتمنطقهای.
این کار بسیار دشوارتر از انتظارات فیزیکدانان NIST بود. نظریهٔ نسبیت اینشتین میگوید که شدت گرانش بر گذر زمان تأثیر میگذارد. ساعتها در مکانهایی که گرانش قویتر است، آهستهتر و در مکانهایی که گرانش ضعیفتر است، سریعتر میتپند. سرعت حرکت یک سیاره در مدار نیز میتواند باعث تغییر سرعت تپش ساعتها شود.
NIST یک نقطه بر سطح مریخ را بهعنوان مرجع انتخاب کرد، مشابه سطح دریا در خط استوا بر روی زمین. بهدلیل سالها دادههای جمعآوریشده از مأموریتهای مریخ، پتلا و فیزیکدان همکار NIST، نیل اشبی، توانستند گرانش سطح این سیاره را تخمین بزنند که پنج برابر کمتر از گرانش زمین است.
اما آنها باید بیش از گرانش مریخ، عوامل دیگری را نیز درنظر میگرفتند. نظام خورشیدی ما شامل اجسام عظیمتری است که بر یکدیگر نیروی گرانشی وارد میکنند. خورشید به تنهایی بیش از ۹۹ ٪ جرم نظام خورشیدی را تشکیل میدهد. موقعیت مریخ در نظام خورشیدی — فاصله آن از خورشید و همسایگانش همچون زمین، ماه، مشتری و زحل — او را به مداری کجفاصله و کشیده میکشاند. مدارهای زمین و ماه نسبتاً ثابتاند؛ زمان در ماه به طور مداوم ۵۶ میکروثانیه سریعتر از زمان در زمین است.
«اما برای مریخ اینگونه نیست — فاصله آن از خورشید و مدار کجفاصلهاش باعث میشود تغییرات زمان بزرگتر باشد — مسألهٔ سهجسمی بسیار پیچیده است. اکنون ما با چهار جسم سر و کار داریم: خورشید، زمین، ماه و مریخ»، پتلا توضیح میدهد. «کار دشوارتر از آنچه ابتدا فکر میکردم، بود.»
پس از در نظر گرفتن تمام این اثرات — گرانش سطح مریخ، مدار کجفاصلهٔ مریخ، تأثیر خورشید، زمین و ماه بر مریخ — پتلا و اشبی به پاسخ خود دست یافتند.
هموارسازی راه برای اینترنت نظام خورشیدی
ممکن است ۴۷۷ میکروثانیه بهنظر کم برسد — حدود هزارم ثانیهای که برای چشمک زدن لازم است. اما درنظر گرفتن این اختلافات جزیی زمانی برای توسعهٔ شبکههای ارتباطی اساسی است. بهعنوان مثال، شبکههای 5G برای دقت تا یکدهم میکروثانیه نیاز دارند.
در حال حاضر، ارتباطات بین زمین و مریخ تاخیری بین چهار تا ۲۴ دقیقه (و گاهی بیشتر) دارند. این تقریباً مشابه ارتباطات پیش از تلگراف است، پتلا توضیح داد: مردم نامههای دستنویس را به یک کشتی میدادند که از اقیانوس عبور میکرد، سپس هفتهها یا ماهها منتظر میماندند تا کشتی دیگری پاسخ را برساند.
داشتن چارچوبی برای زمانبندی بین سیارات، راه را برای ایجاد شبکههای همگامسازیشده در فاصلههای وسیع هموار میکند.
«زمان برای ماه و مریخ دقیقاً مناسب است. این نزدیکترین قدم ما به تحقق چشمانداز علمی‑تخیلی گسترش در سراسر نظام خورشیدی است» — بیجونات پتلا، فیزیکدان NIST
«اگر همگامسازی حاصل شود، تقریباً مانند ارتباط لحظهای خواهد بود بدون هیچگونه از دست رفتن اطلاعات. نیازی به انتظار برای دیدن نتایج نیست»، پتلا گفت.
این شبکهها هنوز راه درازی تا واقعیت دارند؛ همانطور که مأموریتهای بلندمدت انسانی و رباتیک به مریخ نیز، اشبی اشاره کرد. مطالعهٔ این مسائل به دانشمندان کمک میکند تا برای تمام متغیرهایی که با آنها مواجه خواهند شد، آماده شوند.
«ممکن است دههها صبر کنیم تا سطح مریخ توسط ردپای روباتهای کاوشگر پوشیده شود، اما در حال حاضر مطالعهٔ مسائلی که برای ایجاد سیستمهای ناوبری بر روی سیارات و ماههای دیگر لازم است، مفید است»، اشبی گفت. «مانند سیستمهای ناوبری جهانشمول فعلی مثل GPS، این سیستمها به ساعتهای دقیق وابسته خواهند بود و تأثیرات بر نرخساعت میتواند با کمک نظریهٔ نسبیت عام اینشتین تحلیل شود.»
پتلا افزود که این دانش همچنین ارزش علمی دارد. درک چگونگی تپش ساعتها بر روی سیارات دوردست، اطلاعات جدیدی است که بر مبنای نظریههای نسبیت خاص و عام اینشتین ساخته شده است.
«از این که برای اولین بار بدانیم در مریخ زمان چگونه میگذرد، خوشحالم. پیش از این هیچکس این را نمیدانست. این امر دانش ما را دربارهٔ خود نظریه، نظریهٔ نحوهٔ تپش ساعتها و نسبیت ارتقا میدهد»، او گفت. «گذشت زمان، پایهٔ نظریهٔ نسبیت است: چگونگی درک آن، روش محاسبهٔ آن و عوامل مؤثر بر آن. این مفاهیم ممکن است ساده به نظر برسند، اما محاسبهٔ آنها میتواند بسیار پیچیده باشد.»
مقاله: نیل اشبی و بیجونات ر. پتلا. مطالعهٔ مقایسهای زمان بر روی مریخ با ساعتهای ماهی و زمینی. مجلهٔ نجومی. منتشر شده آنلاین ۱ دسامبر ۲۰۲۵. DOI: 10.3847/1538-3881/ae0c16