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En el futuro, la exploración de la Luna requerirá soluciones sofisticadas. Uno de los más intrigantes es la necesidad de crear un sistema de sincronización lunar específico. Debido a que nuestro satélite natural se encuentra en un campo gravitacional diferente al de la Tierra, el tiempo se mueve de manera diferente, un fenómeno predicho por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Esta diferencia horaria, aunque infinitamente pequeña, es relevante para el trabajo en el espacio, especialmente con el aumento de misiones e instalaciones permanentes como las futuras colonizaciones lunares.
La cuestión del “tiempo lunar coordinado” (Hora lunar coordinadaLTC) es, por tanto, de crucial importancia para los investigadores e ingenieros que se ocupan de misiones lunares y para su independencia de los recursos terrestres. Si bien en la Tierra existe el Tiempo Universal Coordinado (UTC), en la Luna se necesita uno equivalente capaz de tener en cuenta el diferente paso del tiempo en el campo gravitacional lunar. El foco de la discusión es comprender cómo la relatividad y el movimiento orbital influyen en la sincronización de los relojes espaciales y terrestres: un desafío complejo, pero esencial para la seguridad y el éxito de futuras misiones.
Un reloj para la luna
Por eso, algunos investigadores no sólo se preocupan por medir el tiempo, sino también por determinar la posición exacta de un punto en la superficie lunar, ya que los sistemas GPS no se pueden utilizar directamente en este contexto. Gracias a los avances en la tecnología satelital y de comunicaciones, es posible desarrollar una red de navegación lunar capaz de rastrear los movimientos de astronautas y vehículos autónomos. Sin embargo, todo esto requiere una base sólida: un reloj que funcione con la misma precisión que la Tierra, pero adaptado a las particulares condiciones gravitacionales y de movimiento de la Luna. El desafío acaba de ser aceptado y las respuestas que surgen no sólo influyen en el futuro de las misiones lunares, sino que también nos acercan a un paso decisivo hacia la comprensión y aplicación práctica de la relatividad general.
Un artículo publicado recientemente en “The Astronomical Journal” por Neil Ashby y Bijunath R. Patla, ambos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Boulder, Colorado, está dedicado a este mismo tema. «Nuestra investigación consiste en estimar con precisión la velocidad de los relojes de la Luna y de los puntos de Lagrange, en comparación con los relojes del geoide terrestre y con la ayuda de la teoría de la relatividad», explican los autores a Le Scienze. «El objetivo de precisión de nuestro cálculo es limitar la incertidumbre de la posición de las naves espaciales o de los robots que navegan en la Luna a 100 metros cuadrados. Gracias a estos estudios, este objetivo podría perfeccionarse en el futuro». Sin embargo, todavía existen muchos desafíos técnicos para introducir en la Luna un sistema horario independiente de la Tierra.
«El primero es tener un número suficiente de relojes independientes en la superficie lunar o en una órbita cuasi-lunar», continuaron los autores. »Luego está la energía necesaria para que estos relojes permanezcan en funcionamiento continuo. Otro desafío es monitorear simultáneamente los relojes de la Tierra y la Luna para que se pueda conocer o mantener su relación entre sí en todo momento. Empezamos con estimaciones teóricas que ahora han sido confirmadas por varios otros grupos».
Efectos relativistas
En este contexto es particularmente importante considerar que la relatividad general influye en el cálculo de las diferencias horarias entre la Tierra y la Luna. El potencial gravitacional de la superficie lunar es significativamente menor (unas 20 veces menor) que el potencial gravitacional de la Tierra en la Luna. Esto significa que los relojes marcan más rápido cerca de la Luna que en la Tierra. La Luna gira una vez al mes y tiene un radio menor que la Tierra, que gira una vez al día. Como también señalan Ashby y Patla, la dilatación del tiempo en la superficie lunar es generalmente menor que en la superficie terrestre, pero existen complicaciones debido al aplastamiento de los cuerpos en los polos, es decir, a que no son perfectamente esféricos. .
Sobre este tema específico, es decir, el cálculo de las diferencias horarias, se publicó en arXiv una preimpresión de Sergei Kopeikin de la Universidad de Missouri en Columbia y George H. Kaplan del Observatorio Naval Americano en Washington. «La teoría de la relatividad general influye en el cálculo de las diferencias horarias entre la Tierra y la Luna, porque difieren en los campos gravitatorios y en el movimiento relativo», explican los dos autores a Le Scienze. »Los efectos más importantes en la medición del tiempo en la Luna incluyen tres fenómenos clave. Primero, la dilatación del tiempo gravitacional: según la relatividad general, el tiempo fluye más lentamente en campos gravitacionales más fuertes, y dado que el campo gravitacional de la Tierra es más fuerte que el de la Luna, los relojes en la Luna corren más rápido, con una diferencia de aproximadamente 56 microsegundos por día. en comparación con los de la Luna. Tierra.»
El segundo efecto está relacionado con el movimiento relativo entre la Tierra y la Luna, que también influye en la medición del tiempo. El movimiento orbital de la Luna provoca efectos relativistas que hay que tener en cuenta a la hora de calcular el tiempo. Finalmente, para modelar con precisión la diferencia horaria, utilizamos un sistema de coordenadas (llamado coordenadas de Fermi) que ve la Tierra y la Luna en un único marco inercial en caída libre alrededor del Sol. “Estos tres efectos deben considerarse cuidadosamente para garantizar que sean precisos y confiables. mediciones del tiempo durante misiones lunares y otras actividades espaciales”, explican los autores.
Pero sólo con una red de relojes en la superficie lunar y en órbita se puede establecer con precisión el tiempo lunar coordinado y sincronizarlo con los sistemas horarios terrestres. Por supuesto, para garantizar la exactitud de la hora lunar, los relojes atómicos son la primera opción por su alta precisión, pero también se estudian otras alternativas aún menos precisas pero más económicas, como los relojes de cuarzo, que se utilizan en la Tierra para actividades que no No requiere extrema precisión en el cálculo del tiempo. De hecho, los relojes atómicos tienen buena estabilidad, garantizando una precisión de menos de un nanosegundo, pero los buenos osciladores de cuarzo pueden ofrecer una precisión de unos pocos cientos de nanosegundos.
En este punto, confirman Kopeikin y Kaplan, la decisión aún no se ha tomado, por lo que no sabemos qué tipos de relojes se utilizarán. Lo que es seguro es que esta red de relojes también soportaría un sistema de posicionamiento lunar, permitiendo una navegación y un posicionamiento precisos en la superficie lunar. Por lo tanto, este sistema es crucial para la exploración y el futuro desarrollo de la Luna.
Un marco para las misiones
Como explican con más detalle los autores de la preimpresión, el establecimiento de un sistema de sincronización lunar como el LTC podría tener implicaciones significativas para futuras misiones a otros cuerpos celestes como Marte. La estandarización de la medición del tiempo proporcionaría un marco útil para garantizar la seguridad y coordinar misiones, mientras que comprender los efectos relativistas mejoraría nuestra capacidad para adaptar los sistemas horarios a condiciones planetarias específicas. Si la Luna pudiera reducirse, facilitaría la introducción de sistemas similares en Marte y mejoraría la navegación y las comunicaciones, incluso para apoyar las visitas e investigaciones humanas.
Este avance permitiría una sincronización más precisa de la misión, algo esencial para la investigación a largo plazo. Además, un sistema de cronometraje lunar fiable proporcionaría un modelo útil para futuras exploraciones interplanetarias, ya que el éxito de la misión depende en gran medida de una gestión precisa del tiempo y de la navegación. Este enfoque también abordaría las complejidades asociadas con la gestión del tiempo durante las misiones a Marte u otros cuerpos celestes.
La NASA pretende introducir un tiempo lunar coordinado para finales de 2026. Este programa es coherente con los objetivos más amplios del programa Artemis, que apunta a una presencia humana permanente en la Luna. Mientras tanto, la Unión Astronómica Internacional (IAU) ha establecido un grupo de trabajo internacional para definir con precisión el LTC, que servirá como estándar para las actividades lunares de todas las naciones. En particular, la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) participarán en la formulación de esta definición de LTC. Como ya se ha mencionado, los desafíos para establecer un tiempo lunar coordinado son numerosos: el cálculo de los efectos relativistas, la sincronización entre el LTC y los sistemas horarios terrestres, el uso de relojes atómicos de alta precisión en la superficie lunar y en órbita, y el sistema internacional La cooperación necesaria para la introducción de una norma horaria generalmente aceptada es esencial.
“Finalmente”, dicen Kopeikin y Kaplan, “también debemos considerar el entorno hostil de la Luna con sus temperaturas y radiación extremas, que podrían afectar el rendimiento y la precisión de los dispositivos de cronometraje y requerir soluciones innovadoras para proteger y mantener la funcionalidad de estos dispositivos. «. . Investigadores, ingenieros y técnicos están trabajando duro porque se acerca el año 2026 y la Luna espera que mujeres y hombres puedan volver a caminar sobre su superficie. A ser posible, con relojes de precisión y la certeza de saber exactamente dónde están.
