月球基地和火星棲息地的宏偉計劃帶來了獨特的挑戰，尤其是在天體間協調時間方面。美國國家航空暨太空總署的JPL的研究人員提出了一種新的月球時間系統，用於管理星際運作的複雜性。

太空人在月球表面的藝術印象，這是阿爾忒彌斯計畫的一部分。 他們將如何在月球上儲存電能？ 3D列印電池可以幫上忙。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

美國國家航空暨太空總署（NASA）、其他航太機構和商業航太部門正在為人類未來的地球以外的世界制定雄心勃勃的計劃。 這些計劃的目的是在月球上和月球周圍建立永久性基礎設施，使人類能夠在月球上持續研究、科學和商業活動。 這些計劃還包括首次載人飛往火星，隨後建造地面棲息地以支持未來的訪問。 然而，這些富有遠見的計劃也面臨著巨大的挑戰，從後勤和技術障礙到確保健康和安全不一而足。

一個關鍵的挑戰是月球、月球軌道和地球之間的同步操作，這需要一個標準化的時間系統。 為了解決這個問題，美國國家航空暨太空總署的研究人員最近提出了一個新的月球計時系統，適用於所有月球和順月活動。 該系統基於相對論時間變換，即通常所說的”時間膨脹”。 透過考慮引力和運動的差異，這種方法確保了精確可靠的計時，這對月球上和月球周圍的協調運作至關重要。

這項研究由Slava G. Turyshev、James G. Williams、Dale H. Boggs 和Ryan S. Park 完成，他們是美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室（JPL）的四位研究科學家。 他們的論文”太陽係原心、地球和月球之間的相對論時間變換“的預印本最近在網上發表，目前正在接受審查，以便在Physical Review D雜誌上發表。

與網關太空站對接的獵戶座飛船。 在”阿特米斯IV”任務中，獵戶座將首次訪問蓋特威太空站，宇航員將用它向蓋特威太空站運送”國際棲息地”（I-Hab）艙。 在”阿特米斯”五號和六號任務中，”獵戶座”將返回”蓋特威”運送其他組件。 圖片來源：NASA / Alberto Bertolin， Bradley Reynolds

根據洛倫茲變換和愛因斯坦的特殊相對論（SR）的預測，相對論時間變換（RTT）描述了觀察者的參考系加速時，時間的流逝是如何變慢的。 當愛因斯坦用他的廣義相對論（GR）理論擴展了SR 以解釋引力時，他確定了加速度和引力本質上是相同的，而時間流的變化取決於引力場的強度。 這給太空探索帶來了挑戰，因為在地球以外運行的太空船會受到加速度、微重力和低重力的影響。

圖裡舍夫透過電子郵件告訴《今日宇宙》，隨著人類開始在月球上長時間工作，RTT 將成為一個重要的考慮因素：

“[RTT] 解釋了時間是如何根據重力位能和運動的不同而以不同的方式流動的。例如，由於月球表面的引力較弱，月球上的時鐘會比地球上的時鐘走得稍快一些。雖然這些差異很小，每天只有微秒級的差別，但在協調太空任務時卻變得非常重要，因為在太空任務中，即使是微小的時間誤差也會導致巨大的位置誤差或通信延遲。太空探索中，精確計時至關重要。根據參考系的不同，各種時間尺度發揮不同的作用。

在論文中，研究小組指出了三種主要的時間尺度。 它們包括：

地球時間（TT）：此時間標度用於地球系統，代表平均海平面上的時間，並根據地球重力位能進行修正。

重心座標時間（TCB）：重心天體參考系（BCRS）中的時間座標，以太陽系重心為中心。 TCB 考慮了重力位能和天體相對於重心的運動所產生的相對論效應，因此對於天體力學和動力學的高精度建模至關重要。

重心動態時間（TDB）：源自TCB，但經過調整以與地球時間（TT）相同的平均速率運行，這一調整防止了相對於TT 的長期世俗漂移，確保星曆表與地球觀測長期保持一致。

美國國家航空暨太空總署太空人在月球南極的插圖。 我們今天看到的任務構想至少有些來自太空時代早期。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

“相對論校正將這些時間尺度連結起來，確保太空船導航、行星星曆表和通訊的時間保持一致，」圖裡舍夫補充說。 “沒有這種校正，太空船的軌跡和任務時間很快就會變得不可靠，即使在相對較短的距離上也是如此。”

美國國家航空暨太空總署的阿爾忒彌斯計畫包括在半月空間和南極地區周圍的月球表面運行的多個要素。 其中包括Gateway軌道站、多個人類著陸系統（HLS）和阿爾忒彌斯大本營–它將由月球地形飛行器（LTV）、宜居移動平台（HMP）和地基表面棲息地（FSH）組成。 此外，歐空局還計劃建立月球村，由多種運輸、動力和原地資源利用（ISRU）元素組成。

中國和俄羅斯也計劃在月球南極地區建造一個月球棲息地​​，稱為國際月球研究站（ILRS）。 根據多種說法，該站可能包括一個地面部分（可能在熔岩管中）、一個軌道部分以及與阿爾忒彌斯基地營和月球村類似的其他部分。 緊隨其後的將是商業太空利益，其中可能包括採摘、採礦，甚至旅遊。 當然，在月球繞地球運行的過程中，這些活動必須與任務控制中心保持聯繫。圖裡舍夫說，隨著月球探索的加速，確定專用的月球時間（LT）刻度和以月球為中心的座標參考系（LCRS）變得越來越重要。 因此，他和同事們開發了一種TL 刻度，以確保月球上和月球周圍活動的精確計時。 他們的方法涉及應用地球上使用的相對論原理，並使其適應月球的環境，其中包括：月球上較弱的重力導致時間走得更快：

月球上較弱的重力導致月球時鐘的滴答聲比地球時鐘更快。

月球圍繞地球和太陽的運動會帶來週期性的時間變化。

被稱為”馬斯克”的局部引力異常微妙地影響月球的引力場，從而影響著時間的流動。

被稱為”月球村”的月球隕石坑邊緣的居住群。 資料來源：SOM

圖裡舍夫說：「我們的研究結果表明，月球時間每天比地球時間提前約56微秒，月球軌道還會造成額外的週期性變化。這些週期性振蕩的振幅約為0.47 微秒，週期約為27.55 天。

為了推導出這些變換，圖裡舍夫和他的團隊依靠了來自美國太空總署重力恢復和內部實驗室（GRAIL）任務的高精度數據，這兩顆衛星在2011年至2021年期間對月球進行了研究。 除了繪製月球表面地圖，這對雙子衛星還繪製了月球引力場的詳細地圖。 這與月球雷射測距（LLR）實驗所做的測量結合在一起，該實驗以毫米級的精度測量地月距離。 圖裡舍夫說：

“利用這些數據，我們對月球的重力位能和軌道動力學進行了建模，確保由此產生的時間變換達到亞納秒精度。我們引入了一些關鍵常數來描述變換，這些常數類似於用於地球時間系統的常數。

• LL表示月球中心和表面之間的平均時間轉換率，補償了類硒層的引力和旋轉勢的總和。
• LM，類似地球的LB，用於補償重心座標時間（TCB）和月球時間（TL）之間的平均時間轉換率。
• LH，代表月球繞太陽係原心運動的總軌道能量的長期平均值。 它定義了TCB 與月球中心座標系時間（TCL）之間的速率差，並包含與太陽和行星的引力交互作用所產生的貢獻。
• LEM，表示從地心天體參考系（GCRS）觀測到的月球繞地球運動的總軌道能量的長期平均值。
• PEM，考慮了月球橢圓軌道產生的周期性相對論修正以及太陽和行星的引力擾動，產生隨時間變化的振盪。

“這些變換構成了我們高精度月球計時系統的基礎，這對未來的任務規劃和運作至關重要”。

ILRS的視覺化，摘自《中國國家太空總署合作夥伴指南》（2021年6月）。 來源：中國國家航太局

正如圖裡舍夫和他的同事在論文中指出的那樣，建立統一的月球時間系統對於任務的成功至關重要，原因有很多。 這些原因包括

精確導航和著陸：從軌道飛行器到登陸器和漫遊車，眾多任務都以月球表面為目標，同步授時將確保精確定位，降低關鍵任務階段出現錯誤的風險。

無縫通訊：協調地球、軌道飛行器和月球基地之間的活動需要一致的時間同步，以避免通訊延遲，確保資料傳輸順序正確。

合作科學：共同的時間標準使不同太空機構和組織執行的多個任務能夠共享和準確比較數據，從而支持月球地質、地震活動和重力異常的大規模研究。

自主運作： 隨著月球任務的複雜性和持續時間的增加，專用的月球時間系統將使基地和太空船能夠獨立於地球運行，從而減少在地球不可見期間對地球計時的依賴。

新的計時系統是人類為成為星際物種而必須做出的眾多調整之一。 隨著本世紀人類在月球上的存在不斷增加並成為永久性的，一個協調的月球時間系統將變得越來越重要。 一旦定期載人火星任務開始，也需要採取類似的措施，而這些工作已經認真開始了！ 查看火星協調時（MCT）和達里安日曆，以了解更多資訊。

改編自Universe Today上最初發表的一篇文章。