米国立標準技術研究所 (NIST) の科学研究チームは最近、火星と地球の間の時間経過の差を初めて体系的に計算し、将来の地球外時間測定システムに重要な参考資料を提供しました。 『アストロノミカル・ジャーナル』に掲載された新しい研究によると、火星の時計は平均して1日当たり約477マイクロ秒、つまり100万分の1秒で動いており、地球の時計よりも速いという。この差は非常に小さいですが、高精度の時刻同期に依存するナビゲーションおよび通信システムでは重要な工学的意味があります。

研究によると、この時差は一定ではなく、太陽の周りを回る火星の軌道の変化に応じて周期的に変動することが指摘されています。火星の軌道の高い離心率、非標準的な円軌道、太陽、地球、月、その他の惑星の重力の複合効果により、火星の年間の平均日差は最大約 226 マイクロ秒の範囲内で変動する可能性があります。科学者らはまた、シノド周期に関連する変動の小さな繰り返しパターン、つまり1日あたり約40マイクロ秒の小さな変動を特定した。これは、太陽系の複数の天体の異なる幾何学的配置によって引き起こされる時間バイアスのゆっくりとした蓄積と増減を反映している。

正確な推定を行うために、NIST 研究チームは、いわゆる「相対論的固有時間」の分析に焦点を当てて、火星を地球および月と体系的に比較しました。いわゆる固有時間とは、アインシュタインの相対性理論の枠組みに基づいて、ある場所で時計によって実際に測定された時間を指します。それは、その場所の重力場の強さと天体の速度によって異なります。研究結果は、一般相対性理論の基本的な予測を再度検証しました。重力が強いほど、時計の動作は遅くなります。重力が弱ければ弱いほど、時計は速く進みます。 NISTの物理学者ビジュナス・パトラ氏は、「月と火星の研究は、今ほど重要になったことはなく、太陽系のあらゆる部分に拡大するというSFのビジョンにこれほど近づいたことはありません」と述べた。

よく知られている「火星の 1 日は地球より約 40 分長く、1 年は地球の 687 日に相当する」とは異なり、この研究の中心的な焦点は「時間そのものの経過の速さ」です。研究チームの想定によれば、高精度の原子時計が火星の表面に配備されれば、局所的には正常に動作するという。しかし、地球上に設置された原子時計と比較すると、重力や運動の違いにより、両者はゆっくりとした連続的な時間のずれを経験することになります。これは、将来の惑星間ナビゲーションおよび通信システムでは、大陸間ゾーンやクロスタイムゾーンを扱うのと同じ方法で、惑星間の「時間速度の偏差」を正確に計算して修正する必要があることを意味します。

具体的な方法としては、研究者らは火星の基準面を設定し、太陽、地球、月、その他の惑星の重力擾乱を統一モデルに組み込んだ。これは、古典的な「三体問題」の解決に基づいて 4 つ目の大質量天体を導入することに相当し、システムダイナミクスの計算がより複雑になります。彼らはまず、理想的なケプラー楕円軌道で火星の運動を記述し、次に多体重力や太陽潮汐などの影響を重ね合わせ、最後に地球に対する火星の固有時間の微修正を与えました。これらの相対論的な固有の時間差、いわゆる「固有の時間オフセット」は、惑星間の時計の比較と校正の理論的基礎を形成します。パトラさんは「本当に大変な仕事は、当初考えていたよりもはるかに複雑だった」と嘆いています。

1 日あたり数百マイクロ秒の違いは、日常生活ではほとんど目立ちませんが、精密技術システムでは誤差が蓄積する原因として十分です。現代の地球上の移動通信ネットワークと衛星ナビゲーション システムはすべて、測位とデータ送信を完了するためにナノ秒レベルまたはさらに小さいレベルでの時刻同期に依存しています。地球と火星の間の深宇宙通信の場合、現在の片道信号伝播時間は、それぞれの軌道上の 2 つの星の相対位置に応じて、約 4 ～ 24 分の範囲です。研究者らは、将来的に統一的で高精度な「惑星間時刻システム」が確立できれば、航行やデータ交換における混乱や判断ミスをある程度軽減できると期待している。 Patla 氏は、「厳密な同期が達成されると、通信エクスペリエンスはほぼリアルタイムと同じくらいスムーズになり、結果が返されるまでに情報が失われることはなくなります。」と述べています。

科学研究チームはまた、完全で成熟した星間通信ネットワークはまだ現実には程遠いが、現在、時間挙動の違いに関する研究を実施することで、将来のシステムのための強固な基盤を築くことができると強調した。研究に参加したニール・アシュビー氏は、火星の表面がさらに多くの探査機の軌跡で「覆われる」までには数十年かかるかもしれないが、他の惑星や衛星でのナビゲーションシステムの確立という重要な問題を事前に研究する必要があると指摘した。現在の全地球測位システム (GPS) と同様に、このタイプの将来の惑星間ナビゲーション ネットワークも高精度の時計を中核とします。各天体の重力場のクロック速度への影響は、アインシュタインの一般相対性理論を使用して定量的に分析する必要があります。ネオウィン

パトラ氏はさらに、この研究は火星の時間に対する初めての体系的な答えを提供するだけでなく、時間と相対性理論そのものについての人間の理解をある程度豊かにするものであると述べた。 「私たちは初めて、相対論的な意味で火星で時間がどのように流れるのかを実際に知りました。これまで誰も完全な答えを持っていませんでした。」と彼は言いました。同氏の見解では、この研究は「時計がどのように時を刻むのか」と一般相対性理論についての全体的な理解を深め、月、火星、さらには深宇宙に高精度の時間システムとナビゲーションシステムを将来展開するための理論的および工学的基盤を築いたという。