Se quisermos viver em outros mundos, precisaremos de novos relógios

Entre a NASA, outras agências espaciais e o setor espacial comercial, existem alguns planos verdadeiramente ambiciosos para o futuro da humanidade no espaço. Estes planos prevêem a criação de infra-estruturas permanentes na Lua e em torno dela que permitirão uma presença humana permanente lá, completa com investigação, ciência e operações comerciais. Eles também preveem as primeiras missões tripuladas a Marte, seguidas pela criação de habitats de superfície que permitirão visitas de retorno. Estes planos apresentam muitos desafios, que vão desde questões logísticas e técnicas até à saúde e segurança humana.

Outro desafio é coordenar as operações na superfície lunar com as que estão em órbita e na Terra, o que requer um sistema de tempo padronizado. Em um estudo recenteuma equipe de pesquisadores da NASA desenvolveu um novo sistema de tempo lunar para todos os recursos lunares e aqueles no espaço cis-lunar. Eles recomendam que a base deste sistema sejam as transformações relativísticas do tempo, conhecidas mais genericamente como “dilatação do tempo”. Tal sistema permitirá a coordenação e a cronometragem eficaz na Lua, abordando as discrepâncias causadas pelas diferenças de potencial gravitacional e pelo movimento relativo.

O estudo foi conduzido por Slava G. Turyshev, James G. Williams, Dale H. Boggse Ryan S. Parquequatro cientistas pesquisadores do Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da NASA. A pré-impressão de seu artigo, “Transformações relativísticas do tempo entre o baricentro do Sistema Solar, a Terra e a Lua”, apareceu recentemente on-line e atualmente está sendo revisado para publicação na revista Revisão Física D.

Transformações de tempo relativísticas (RTT), conforme previsto por Transformações de Lorentz e a Teoria da Relatividade Especial (SR) de Einstein, descrevem como a passagem do tempo diminui para o observador à medida que seu referencial acelera. Quando Einstein estendeu a RS para explicar a gravidade com sua teoria da Relatividade Geral (RG), ele estabeleceu como a aceleração e a gravidade são essencialmente as mesmas e que o fluxo do tempo muda dependendo da força do campo gravitacional. Isto representa um desafio para a exploração espacial, onde as naves espaciais que operam fora da Terra estão sujeitas a aceleração, microgravidade e menor gravidade.

Como Turyshev disse ao Universe Today por e-mail, o RTT se tornará uma consideração importante à medida que os humanos começarem a operar na Lua por longos períodos de tempo:

“(RTT) explica como o tempo flui de maneira diferente dependendo do potencial gravitacional e do movimento. Por exemplo, os relógios da Lua funcionam ligeiramente mais rápido do que os da Terra devido à atração gravitacional mais fraca experimentada na superfície da Lua. Embora estas diferenças sejam pequenas – da ordem de microssegundos por dia – tornam-se significativas na coordenação de missões espaciais, onde mesmo um pequeno erro de temporização pode traduzir-se em grandes imprecisões de posição ou atrasos de comunicação. Na exploração espacial, o tempo preciso é fundamental. Várias escalas de tempo desempenham funções diferentes, dependendo do quadro de referência.”

Em seu artigo, a equipe identificou três prazos principais que entram em jogo. Eles incluem:

• Tempo Terrestre (TT): esta escala de tempo é usada para sistemas baseados na Terra, representando o tempo ao nível médio do mar com correções para o potencial gravitacional da Terra.
• Tempo de Coordenada Baricêntrica (TCB): a coordenada de tempo no Sistema de Referência Celestial Baricêntrico (BCRS), centrado no baricentro do Sistema Solar. O TCB leva em conta os efeitos relativísticos devido aos potenciais gravitacionais e ao movimento dos corpos em relação ao baricentro, tornando-o essencial para a modelagem de alta precisão da mecânica e dinâmica celeste.
• Tempo Dinâmico Bariccêntrico (TDB): derivado do TCB, mas ajustado para funcionar na mesma taxa média do Tempo Terrestre (TT), este ajuste evita uma deriva secular de longo prazo em relação ao TT, garantindo que as efemérides permaneçam consistentes com as observações baseadas na Terra por longos períodos.

“As correções relativísticas ligam essas escalas de tempo, garantindo uma cronometragem consistente para a navegação de espaçonaves, efemérides planetárias e comunicação”, acrescentou Turyshev. “Sem essas correções, as trajetórias das naves espaciais e os tempos das missões tornar-se-iam rapidamente pouco fiáveis, mesmo a distâncias relativamente curtas.”

O Programa Artemis da NASA inclui vários elementos operando no espaço cislunar e na superfície lunar ao redor da região do pólo sul. Estes incluem a órbita Portal Lunarmúltiplo Sistemas de pouso humano (HLS) e o Acampamento Base de Ártemis – que consistirá no Veículo Terrestre Lunar (LTV), na Plataforma de Mobilidade Habitável (HMP) e no Habitat de Superfície da Fundação (FSH). Além disso, a ESA planeia criar a sua Moon Village, que consiste em múltiplos meios de transporte, energia e utilização de recursos in-situ (ISRU).

A China e a Rússia também têm planos para um habitat lunar em torno da região do pólo sul da Lua, conhecido como Estação Internacional de Pesquisa Lunar (ILRS). Com base em múltiplas declarações, esta estação poderia incluir um elemento de superfície (possivelmente em um tubo de lava), um elemento orbital e outros elementos semelhantes ao Acampamento Base Artemis e à Aldeia da Lua. Estes serão seguidos e paralelos por interesses espaciais comerciais, que poderão incluir colheita, mineração e até mesmo turismo. E, claro, estas operações devem permanecer em contacto com o controlo da missão enquanto a Lua orbita a Terra.

À medida que a exploração lunar acelera, diz Turyshev, definir uma escala de Tempo Lunar (LT) dedicada e um Sistema de Referência de Coordenadas (LCRS) centrado em Luni torna-se cada vez mais importante. Conseqüentemente, ele e seus colegas desenvolveram uma escala TL para garantir cronometragem precisa para atividades na Lua e ao redor dela. A sua abordagem envolve a aplicação de princípios relativísticos utilizados para a Terra e a sua adaptação ao ambiente lunar, incluindo:

1. A gravidade mais fraca na Lua leva a uma taxa de tique-taque mais rápida para os relógios lunares do que para os relógios da Terra.
2. O movimento da Lua em torno da Terra e do Sol introduz variações periódicas no tempo.
3. Anomalias gravitacionais locais, conhecidas como mascons, influenciam sutilmente o campo gravitacional da Lua e, portanto, o fluxo do tempo.

“Nossos resultados mostram que o tempo lunar se adianta em relação ao tempo da Terra em cerca de 56 microssegundos por dia, com variações periódicas adicionais causadas pela órbita da Lua”, disse Turyshev. “Essas oscilações periódicas têm amplitude de cerca de 0,47 microssegundos, ocorrendo durante um período de aproximadamente 27,55 dias.”

Para derivar essas transformações, Turyshev e sua equipe confiaram em dados de alta precisão do satélite da NASA. Laboratório de Recuperação de Gravidade e Interior (GRAIL), satélites gêmeos que estudaram a Lua entre 2011 e 2021. Além de mapear a superfície lunar, os satélites gêmeos também mapearam o campo gravitacional da Lua em detalhes. Isto foi combinado com medições feitas por Alcance do Laser Lunar (LLR), que medem a distância Terra-Lua com precisão milimétrica. Disse Turyshev:

“Usando esses dados, modelamos o potencial gravitacional e a dinâmica orbital da Lua, garantindo uma precisão inferior a nanossegundos nas transformações de tempo resultantes. Constantes chave foram introduzidas para descrever as transformações, análogas às usadas para sistemas de tempo baseados na Terra. As mais críticas dessas restrições são:

• eu_euque representa a taxa média de transformação do tempo entre o centro da Lua e sua superfície, compensando o potencial gravitacional e rotacional combinado no nível do selenóide.
• eu_Manálogo ao LB para a Terra, compensa a taxa média na transformação do tempo entre o Tempo de Coordenadas Baricêntricas (TCB) e o Tempo Lunar (TL).
• eu_Hrepresentando a média de longo prazo da energia orbital total da Lua em seu movimento ao redor do baricentro do sistema solar. Ele define a diferença de taxa entre o TCB e o tempo do sistema de coordenadas lunicêntrico (TCL) e inclui contribuições de interações gravitacionais com o Sol e os planetas.
• eu_EMque representa a média de longo prazo da energia orbital total da Lua em seu movimento ao redor da Terra, conforme observado no Sistema Geocêntrico de Referência Celestial (GCRS).
• P_EMque leva em conta correções relativísticas periódicas decorrentes da órbita elíptica da Lua e perturbações gravitacionais do Sol e dos planetas, resultando em oscilações dependentes do tempo.

“Essas transformações formam a base do nosso sistema de cronometragem lunar altamente preciso, que é crucial para o planejamento e operações futuras de missões.”

Como Turyshev e os seus colegas estabelecem no seu artigo, há muitas razões pelas quais a criação de um sistema de tempo lunar unificado é essencial para o sucesso da missão. Estes incluem:

1. Navegação e pouso de precisão: Com inúmeras missões visando a superfície lunar, desde orbitadores até landers e rovers, a cronometragem sincronizada garantirá um posicionamento preciso e reduzirá o risco de erros durante as fases críticas da missão.
2. Comunicação perfeita: A coordenação de atividades entre a Terra, os orbitadores e as bases lunares requer uma sincronização de tempo consistente para evitar atrasos na comunicação e garantir a ordem correta da transmissão de dados.
3. Ciência Colaborativa: Um padrão de tempo comum permite que múltiplas missões – conduzidas por diferentes agências e organizações espaciais – partilhem e comparem dados com precisão, apoiando estudos em grande escala de geologia lunar, actividade sísmica e anomalias gravitacionais.
4. Operações autônomas: À medida que as missões lunares crescem em complexidade e duração, um sistema de tempo lunar dedicado permitirá que bases e naves espaciais operem independentemente da Terra, reduzindo a dependência da cronometragem baseada na Terra durante os períodos em que a Terra não está visível.

Os novos sistemas de cronometragem são uma das muitas adaptações que a humanidade deve fazer para se tornar uma espécie interplanetária. Um sistema coordenado de tempo lunar tornar-se-á cada vez mais importante à medida que a presença da humanidade na Lua crescer e se tornar permanente neste século. Medidas semelhantes precisarão ser tomadas assim que as missões regulares tripuladas a Marte começarem, e esses esforços já começaram para valer! Confira Tempo Coordenado de Marte (MCT) e o Calendário Darian para saber mais.

Leitura adicional: arXiv