Quelle heure est-il la Lune?
En avril 2024, la Maison Blanche a lancé un défi aux scientifiques d’établir une norme d’heure lunaire, dans la perspective d’une présence internationale accrue sur la Lune et d’éventuelles bases humaines dans le cadre de NASAc’est Initiative Artémis. La vraie question qui reste perplexe n’est pas « Quelle heure est-il ? mais plutôt « À quelle vitesse temps passer? »
L’heure indiquée par une horloge peut être réglée par n’importe quel chronométreur, mais la physique détermine la rapidité avec laquelle le temps passe. Au début du XXe siècle, Albert Einstein a déterminé que deux observateurs ne seront pas d’accord sur la durée d’une heure s’ils ne se déplacent pas à la même vitesse dans la même direction. Ce désaccord existe également entre une personne à la surface de la Terre et une autre en orbite ou sur la Lune.
« Si nous sommes sur la Lune, les horloges vont sonner différemment (que sur Terre) », a déclaré un physicien théoricien. Bijunath Patla du National Institute of Standards and Technology (NIST) à Boulder, Colorado. Il a noté que le mouvement de la Lune par rapport au nôtre rend les horloges plus lentes que la norme terrestre, mais que sa gravité plus faible entraîne des horloges plus rapides. « Ce sont donc deux effets concurrents, et le résultat net est une dérive de 56 microsecondes par jour. » (C’est 0,000056 seconde.)
Patla et son collègue physicien du NIST Neil Ashby a utilisé la théorie de la relativité générale d’Einstein pour calculer ce nombreune amélioration par rapport aux analyses précédentes. Ils ont publié leurs résultats dans le Journal astronomique.
Bien qu’une différence de 56 microsecondes soit faible selon les normes humaines, elle est significative lorsqu’il s’agit de guider plusieurs missions avec une précision extrême ou de communiquer entre la Terre et la Lune.
« L’élément fondamental est la sécurité de la navigation dans le contexte d’un écosystème lunaire alors qu’il y a beaucoup plus d’activité sur la Lune qu’aujourd’hui », a déclaré Cheryl Gramlingingénieur système au Goddard Space Flight Center de la NASA. « En matière de navigation, une dérive de 56 microsecondes sur une journée entre une horloge sur la Lune et (une horloge) sur Terre représente une grande différence, il faut donc s’en accommoder. »
La navigation de précision moderne repose sur la synchronisation des horloges, ce qui implique une coordination utilisant des ondes radio, qui se déplacent à la vitesse de la lumière. Gramling a noté que la lumière parcourt 30 centimètres (11,8 pouces) en 1 nanoseconde (0,001 microseconde) – un temps incroyablement court selon les normes humaines – donc ne pas tenir compte de l’écart de 56 microsecondes pourrait potentiellement entraîner des erreurs de navigation pouvant atteindre 17 kilomètres. par jour. Même une fraction de cela est inacceptable lorsqu’il s’agit de Artémis missions, qui nécessiteront de connaître à tout moment la position de chaque rover, atterrisseur ou astronaute dans un rayon de 10 mètres.
Je suis libre ! Chute libre !
Un résultat clé du théorie de la relativité c’est qu’il n’y a pas de temps absolu. Une horloge à la surface de la Terre fonctionnera plus lentement qu’une horloge en orbite en raison des effets gravitationnels, c’est pourquoi les satellites GPS doivent tenir compte de la relativité. (Le temps universel coordonné et d’autres normes sur Terre utilisent des réseaux d’horloges qui corrigent les minuscules différences gravitationnelles à différentes altitudesaussi.)
Déterminer la différence de chronométrage entre la Terre et la Lune ajoute des complications supplémentaires. La Lune se déplace par rapport à n’importe quel endroit de la surface de la Terre en raison de notre rotation et de son orbite autour de nous, ce qui signifie que toute horloge lunaire semble fonctionner plus lentement de notre point de vue. De plus, toute horloge sur la Lune est affectée par l’horloge de la Lune. pesanteur et Celle de la Terre. (Les satellites artificiels ne sont pas assez grands ou massifs pour que leurs propres effets gravitationnels comptent.)
Gérer correctement ces effets de relativité nécessite de choisir un cadre de référence approprié. Ashby et Patla ont abordé le problème en reconnaissant que le système Terre-Lune est en chute libre – se déplaçant uniquement sous l’influence de la gravité du Soleil – chacun tournant autour de son centre de masse mutuel. Cela leur a permis de formuler les contributions de chaque complication : la rotation de chaque corps, les forces de marée, les écarts de forme par rapport aux sphères parfaites, etc.
Ashby et Patla ont également effectué le calcul des positions gravitationnellement stables en orbite entre la Terre et la Lune, connues sous le nom de points de Lagrange, qui pourraient être utilisées pour les satellites relais de communication.
Pendant ce temps, le physicien théoricien Sergueï Kopeikine de l’Université du Missouri et astronome Georges Kaplan de l’Observatoire naval américain calculé indépendamment un décalage temporel de 56 microsecondes entre la Terre et la Lune. Ils ont également calculé des fluctuations périodiques plus petites des fréquences d’horloge dues à de minuscules variations de la force de marée du Soleil et de Jupiter, des effets de l’ordre de la nanoseconde qui doivent néanmoins être pris en compte pour obtenir une précision de navigation à l’échelle de 10 mètres ou meilleure.
« La communauté (de la relativité) nous a rendu un grand service en publiant tout ce travail », a déclaré Gramling. « Maintenant, nous avons quelque chose à apporter à l’ensemble de la communauté internationale des experts en chronométrage et à dire : ‘Est-ce le modèle que nous pouvons standardiser pour la Lune ?' »
Il faudra plusieurs années, voire décennies, avant que la Lune ne soit peuplée de suffisamment d’humains et de robots pour avoir besoin de ce niveau de chronométrage. Cependant, les scientifiques et les ingénieurs reconnaissent à quel point il est important de mettre en place une heure standard lunaire bien avant que cela ne devienne nécessaire. Ils ont désormais franchi le premier pas difficile vers la connaissance de l’heure qu’il est sur la Lune.
Cet article a été initialement publié sur Eos.org. Lire le article original.
