月球定居第一步：月亮上几点了？

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Elizabeth Gibney，题图来自：《流浪地球2》

用于月球定居的卫星导航系统需要使用本地原子钟。科学家正在热烈讨论他们应该使用哪种时间。

接下来的十年里，月球探索的热潮将再次兴起——包括数十次发射任务，以及在月球上建立永久基地的计划。这些尝试面临着巨大的挑战，其中有一个微妙但根本的问题——一个全世界计量学家都在努力回答的问题：月球上几点了？

美国航天局（NASA）戈达德航天中心的定位、导航与计时团队负责人、航天工程师Cheryl Gramling说：“我们现在才刚刚开始考虑这个问题。”

各国科学家和航天机构尚未就如何定义月球时间达成一致。来源：NASA Goddard

月球目前没有独立的时间。每项探月计划都会使用自己的时间尺度，并通过地球上的处理器转换成协调世界时（coordinated universal time，UTC）。协调世界时是地球上设定时钟的基准。但这个方法相对来说不算精确，并且不同的月球探测器之间不会同步时间。在独立探月任务还寥寥可数的年代，这个方法还是管用的，但当多个探测器需要合作的时候，问题就来了。航天机构需要利用卫星导航给探测器定位，而这也离不开精确的时间信号。

通用月球时间应当采取哪种形式并没有显而易见的答案。地球的时钟和月球的时钟天然以不同的速度走时，因为两个天体的引力场不同。官方月球时间可能会基于设计上能和UTC同步的时钟系统，也可能完全脱离于地球时间。

2022年11月，全球航天机构和学术组织的代表在欧洲空间局（ESA）的欧洲空间研究与技术中心召开会议，开始起草关于如何定义月球时间的建议。

国际计量局时间部部长Patrizia Tavella说，必须尽快定下来了。如果不确立官方月球时间，航天机构和私人公司就会各按各的方案行事。她说：“这就是我们为什么要拉响警报，召集大家合作制定一个共通的方案。”

卫星定位

想要确定月球时间，最迫切的需求是为月球制定一套专门的全球导航卫星系统（GNSS）——这与地球上用来进行精确定位的GPS等导航卫星系统类似。各个航天机构计划从2030年前后开始安装月球GNSS。ESA已经于2022年11月22-23日在巴黎召开的部长理事会上批准了月球卫星导航项目——“月光”（Moonlight），而NASA也在去年1月启动了类似项目——“月球通信中继与导航系统”（Lunar Communications Relay and Navigation Systems）。

目前为止，月球探测器想要确定位置，就要在预定时间向地球上的大型天线发射无线电信号。但如果有好几十个任务同时进行，“就没有那么多资源照顾所有人了”，在戈达德中心从事月球导航工作的工程师Joel Parker说道。

来源：NASA

第一步，ESA和NASA将从2024年开始试点，使用基于地球探测器发射的微弱卫星导航信号计算月球上的位置。下一步，月球GNSS计划将在月球周围部署专用卫星，每颗卫星都自带原子钟（见“月球上的卫星导航”）。例如，月球表面的接收器可以根据接收到来自卫星信号的时间，使用三角测绘法计算其位置。ESA还计划部署第一批共四个探测器，来覆盖月球南极点周围的定位。ESA“月光”计划的工程师Jörg Hahn表示，南极点储存着月球上大部分的水源，是重要的探索目的地。

不同的探月任务也要借助官方月球时间来实现合作与通讯，Hahn说：“这些任务都要参照统一的时间基准，否则就会一片混乱，毫无协作可言。”

Hahn说，另一个未知问题是各国宇航员是否会在月球上使用统一的月球时间。虽然“月球时间”将作为官方时间尺度，但和在地球上一样，使用者可能会根据太阳在天空中的位置调整时区。这不是计量学家需要解决的问题，而更多的是习惯问题。他说：“当真的有人住到月球上的那一天，我觉得这些考虑是很合理的。”

拆解时间

定义月球时间没这么简单。虽然“秒”的定义在哪里都一样，但广义相对论告诉我们，时钟在引力场更强的地方会变慢。月球的引力比地球弱，也就是说从地球上观察，月球钟会比地球钟走得更快。

Gramling估计，月球钟每24小时会多走56微秒。因为月球的自转，和地球上的钟相比，月球钟的速度还会根据它在月面的位置发生微妙的变化。Tavella说：“这是相对论专家的天堂，因为你得考虑好多好多因素。”

定义月球标准——也就是所有时钟的比较标准——需要安装至少三台主时钟，这些钟以月球的自然节奏走时，然后用一个算法将这些钟的时间综合起来，生成一台更精确的虚拟计时器（见“如何建造月球钟”）。

之后的事情就取决于计量学家的选择了。他们可能会决定基于UTC设定月球时。那样的话，虚拟的月球时就需要定期和地球上的UTC同步。在两次对钟的间隔，月球上的主时钟会继续计时，直到下一次对钟为止。这种做法的好处是与地球上的使用者互动起来较为方便。

来源：NASA

另一种选择是使用月球上原子钟的综合输出，直接作为月球的独立连续时间，再记录它和UTC的关系。这样的话，即使和地球之间的连接断开了，月球钟之间还是能互相统一，实现安全的导航和通讯，Gramling解释道。建立独立的时间系统是一种对火星等更远行星也管用的模式，而这也是航天机构的长远目标。她说，把UTC传到火星比传到月球更难。

这种情况下，月球上的一天甚至可能可以采用和地球不同的定义，这样就可以切合月球上两个正午间平均相隔29.5个地球日的事实。地球日对航天员的重要性不言而喻，因为人类基本是以24小时为周期作息。但具体定义仍要等计量学家达成一致。

计量学家还需要决定在月球上的什么位置放置主时钟。和在地球上一样，海拔也会影响时钟的走速。时钟可以放在月球轨道上，也可以放在月面上，Hahn说，“我们现在正和NASA的同行们讨论这个问题。”

航天机构还在商讨其他必需统一的标准——例如定位使用哪种月面地图和坐标系统。为此各国航天局与联合国GNSS国际委员会专门成立了“机构间行动咨询组”。Gramling说，为了让不同国家的系统之间可以协作，参考系统也必须达成国际共识。

在ESA的帮助下，NASA正在开发一套叫做LunaNet的框架，并希望这套框架可以得到各国认可。LunaNet有一套规则，可以让所有月球卫星导航、通信和计算系统接入同一个网络，无论在哪个国家安装都不影响，就和互联网差不多。确立月球时间只是这个宏伟目标的一小步。

“这里的想法是打造一个太阳系互联网。”Gramling说，“而第一步就是把月球上的那部分做出来。”

原文以What time is it on the Moon?标题发表在2023年2月2日《自然》的新闻版块上

© nature doi: 10.1038/d41586-023-00185-z

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Elizabeth Gibney