未來十年將見證月球探測的復興——包括數十項任務和在月球上建立永久基地的計劃。這些努力帶來了無數挑戰。其中一個微妙但根本的問題是，世界各地的計量學家正在努力解答：月球現在幾點？
“我們才剛剛開始規劃，”美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心（位於馬里蘭州格林貝爾特）的位置、導航和授時團隊負責人、航空航天工程師謝麗爾·格拉姆林說。
月球目前沒有獨立的時間。每次月球任務都使用自己的時間尺度，該尺度透過地球上的操作人員與協調世界時（UTC）——地球時鐘設定的標準——相連。但是，這種方法相對不精確，探索月球的航天器彼此之間不進行時間同步。當月球僅有少數獨立任務時，這種方法可行，但是當有多個航天器協同工作時，就會出現問題。航天機構還需要使用衛星導航來跟蹤它們，而衛星導航依賴於精確的定時訊號。
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通用月球時間會採取什麼形式尚不清楚。由於地球和月球引力場不同，因此地球和月球上的時鐘自然會以不同的速度運轉。官方月球時間可以基於旨在與UTC同步的時鐘系統，也可以獨立於地球時間。
來自世界各地的航天機構和學術組織的代表於2022年11月在荷蘭諾德維克的歐洲航天局（ESA）歐洲空間研究與技術中心會面，開始起草關於如何定義月球時間的建議。
法國塞夫爾國際計量局時間部門負責人帕特里齊亞·塔維拉說，必須儘快做出決定。她說，如果官方月球時間沒有建立，航天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。”
追蹤衛星
對月球時間最迫切的需求來自於為月球建立一個專用的全球衛星導航系統（GNSS）的計劃，類似於GPS和其他衛星導航網路如何在地球上實現精確定位跟蹤。航天機構計劃從2030年左右開始安裝這個月球GNSS。歐洲航天局在2022年11月22日和23日在巴黎舉行的部長級理事會會議上批准了一個名為“月光”的月球衛星導航專案，美國國家航空航天局於去年1月啟動了一個類似的專案，名為“月球通訊中繼和導航系統”。
到目前為止，月球任務都是在預定時間使用傳送到地球大型天線上的無線電訊號來精確定位位置的。但是，戈達德中心從事月球導航工作的工程師喬爾·帕克說，隨著數十項任務的計劃，“根本沒有足夠的資源來覆蓋所有人”。
作為第一步，從2024年開始，歐洲航天局和美國國家航空航天局將試驗使用來自地球航天器的微弱衛星導航訊號來推導月球上的位置。接下來，月球GNSS專案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。例如，月球表面的接收器將使用衛星訊號到達接收器所需的時間來三角定位其位置。歐洲航天局“月光”專案的工程師約爾格·哈恩說，歐洲航天局計劃了一個由四艘航天器組成的初始星座，該星座將覆蓋月球南極的導航，月球南極蘊藏著月球的大部分水資源，是重要的探測目標。
哈恩說，月球任務還需要一個官方的月球時間來進行合作和溝通。“所有這些都必須追溯到一種時間參考，否則就會陷入混亂，事情就無法協同工作。”
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月球時間。儘管月球時間仍將是官方時間尺度，但其使用者可能像在地球上一樣，希望在與太陽在天空中的位置相關的時區中對其進行偏移。這與其說是計量學問題，不如說是約定俗成的問題。“當有人真正在月球上生活時，我認為這是有道理的，”他說。
時間描述
定義月球時間並非易事。儘管秒的定義在任何地方都是相同的，但狹義相對論指出，在更強的引力場中，時鐘走得更慢。月球的引力比地球弱，這意味著，對於地球上的觀察者來說，月球時鐘比地球時鐘走得更快。格拉姆林估計，月球時鐘在24小時內會快大約56微秒。塔維拉說，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而略有變化。“對於相對論專家來說，這是一個天堂，因為你必須考慮很多事情，”她補充說。
定義月球標準（所有時鐘都與之比較）將涉及安裝至少三個以月球自然速度執行的主時鐘，並透過演算法組合其輸出來生成更精確的“虛擬”時鐘。
接下來會發生什麼取決於計量學家選擇哪個選項。他們可能會決定將月球時間基於UTC。在這種情況下，這個虛擬月球時間將定期與地球UTC同步。在兩次同步之間，月球主時鐘將繼續計時，直到下一次同步。這樣做的好處是，對於地球上的使用者來說，互動起來很簡單。
另一種選擇是將月球原子鐘的合成輸出用作月球自身獨立的連續時間，並跟蹤其與UTC的關係。格拉姆林說，這樣一來，即使與地球的連線丟失，月球上的時鐘仍然會彼此一致，並允許安全的導航和通訊。建立獨立時間也是一個適用於航天機構最終目標更遙遠行星（如火星）的模型。她補充說，在那裡傳輸UTC將比傳輸到月球更復雜。
在這種情況下，月球上的“天”甚至可以與地球上的“天”不同地定義，以考慮到從太陽正午到太陽正午的時間平均為29.5個地球日。考慮到人類大約需要24小時的睡眠週期，地球日對宇航員來說始終很重要。但是，這個定義是計量學家需要達成一致的。
計量學家還需要決定將主時鐘放置在月球上的哪個位置。與地球上一樣，裝置的高度會影響走時速度。哈恩說，時鐘可以位於月球軌道上或月球表面。“這就是我們目前正在與美國國家航空航天局同事討論的問題。”
航天機構還在透過機構間 operations 諮詢小組（一個由國家航天機構和聯合國全球導航衛星系統國際委員會組成的委員會）考慮其他必要的標準——例如使用哪些月球地形圖和座標系進行導航。格拉姆林說，為了使各國的系統具有互操作性，必須在國際上商定參考系統。
在美國航天局的幫助下，美國國家航空航天局正在開發一個名為LunaNet的框架，並希望獲得國際認可。LunaNet由一套規則組成，這些規則將使所有月球衛星導航、通訊和計算系統形成類似於網際網路的單一網路，無論哪個國家安裝它們。設定月球時間是更大圖景的一部分。
“我們的想法是建立一個太陽系網際網路，”格拉姆林說。“第一部分將從月球開始。”
本文經許可轉載，最初於2022年1月24日釋出。