Quelle heure est-il sur la lune ?

La prochaine décennie verra une résurgence de l’exploration lunaire, y compris des dizaines de missions et des plans pour établir des bases permanentes sur la Lune. Les efforts posent une myriade de défis. Parmi elles se trouve une question subtile mais fondamentale à laquelle les métrologues du monde entier s’efforcent de répondre : quelle heure est-il sur la Lune ?

“Nous commençons tout juste à concevoir cela”, déclare Cheryl Gramling, une ingénieure en aérospatiale qui dirige l’équipe de position, de navigation et de chronométrage au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.

La Lune n’a actuellement pas d’heure indépendante. Chaque mission lunaire utilise sa propre échelle de temps qui est liée, via ses contrôleurs sur Terre, au temps universel coordonné, ou UTc, la norme par rapport à laquelle les horloges de la planète sont réglées. Mais cette méthode est relativement imprécise, et les engins spatiaux explorant la Lune ne se synchronisent pas en temps entre eux. L’approche fonctionne lorsque la Lune accueille une poignée de missions indépendantes, mais ce sera un problème lorsque plusieurs navires travailleront ensemble. Les agences spatiales voudront également les suivre à l’aide de la navigation par satellite, qui repose sur des signaux de synchronisation précis.

La forme que prendrait un temps lunaire universel n’est pas évidente. Les horloges de la Terre et de la Lune fonctionnent naturellement à des vitesses différentes, en raison des champs gravitationnels différents des deux corps. L’heure lunaire officielle pourrait être basée sur un système d’horloge conçu pour être synchronisé avec l’UTC, ou elle pourrait être indépendante de l’heure terrestre.

Des représentants d’agences spatiales et d’organisations universitaires du monde entier se sont réunis en novembre 2022 pour commencer à rédiger des recommandations sur la manière de définir l’heure lunaire au Centre de recherche et de technologie spatiales de l’Agence spatiale européenne (ESA) à Noordwijk, aux Pays-Bas. .

Les décisions doivent être prises rapidement, déclare Patrizia Tavella, qui dirige le département du temps au Bureau international des poids et mesures à Sèvres, en France. Si aucune heure lunaire officielle n’est fixée, les agences spatiales et les entreprises privées trouveront leurs propres solutions, dit-il. “C’est pourquoi nous voulons lancer une alerte maintenant, en disant travaillons ensemble pour prendre une décision commune.”

suivi par satellite

Le besoin le plus pressant de temps lunaire vient des plans visant à créer un système mondial de navigation par satellite (GNSS) dédié à la Lune, similaire à la façon dont le GPS et d’autres réseaux de navigation par satellite permettent un suivi précis de la localisation sur la Terre. Les agences spatiales prévoient d’installer ce GNSS lunaire à partir de 2030 environ. L’ESA a approuvé un projet de navigation par satellite lunaire appelé Moonlight lors de sa réunion du conseil ministériel les 22 et 23 novembre 2022 à Paris, et la NASA a établi un projet similaire, appelé Lunar Communications Relay and Navigation Systems. , janvier dernier.

Jusqu’à présent, les missions vers la Lune ont localisé leurs emplacements à l’aide de signaux radio envoyés à de grandes antennes sur Terre à des heures programmées. Mais avec des dizaines de missions prévues, “il n’y a tout simplement pas assez de ressources pour couvrir tout le monde”, explique Joel Parker, un ingénieur qui travaille sur la navigation lunaire au Goddard Center.

Dans un premier temps, à partir de 2024, l’ESA et la NASA testeront la dérivation des positions sur la Lune à l’aide de faibles signaux de navigation par satellite d’Earthcraft. Ensuite, les projets GNSS lunaires prévoient de placer des satellites dédiés autour de la Lune, chacun avec sa propre horloge atomique. Un récepteur, par exemple à la surface de la Lune, triangulera votre position en utilisant le temps nécessaire pour que les signaux du satellite arrivent. L’ESA a prévu une constellation initiale de quatre engins spatiaux qui couvriraient la navigation au pôle sud lunaire, qui abrite une grande partie de l’eau de la Lune et est une cible majeure pour l’exploration, explique Jörg Hahn, un ingénieur travaillant sur le projet Moonlight de l’ESA.

Les missions lunaires auront également besoin d’un temps lunaire officiel pour coopérer et communiquer, dit Hahn. “Tout cela doit être retracé à une sorte de référence temporelle, sinon c’est le chaos et les choses ne fonctionnent pas ensemble.”

Une autre question ouverte, dit Hahn, est de savoir si les astronautes utiliseraient le temps lunaire universel partout sur la Lune. Bien que l’heure lunaire soit toujours l’échelle de temps officielle, ses utilisateurs pourraient, comme sur Terre, vouloir la décaler dans des fuseaux horaires liés à la position du Soleil dans le ciel. C’est moins une question pour les métrologues qu’une question de convention. “Quand quelqu’un vit réellement là-bas sur la Lune, je pense que cela a du sens”, dit-il.

caractériser le temps

Définir l’heure lunaire n’est pas simple. Bien que la définition de la seconde soit la même partout, la théorie restreinte de la relativité dicte que les horloges fonctionnent plus lentement dans des champs gravitationnels plus forts. L’attraction gravitationnelle de la Lune est plus faible que celle de la Terre, ce qui signifie que, pour un observateur sur Terre, une horloge lunaire tournerait plus vite qu’une horloge terrestre. Gramling estime qu’une horloge lunaire gagnerait environ 56 microsecondes en 24 heures. Par rapport à une sur Terre, la vitesse d’une montre changerait également subtilement en fonction de sa position sur la surface lunaire, en raison de la rotation de la Lune, dit Tavella. “C’est un paradis pour les experts de la relativité, car il faut tenir compte de beaucoup de choses”, ajoute-t-il.

La définition d’un standard lunaire, auquel toutes les horloges sont comparées, impliquera l’installation d’au moins trois horloges maîtresses qui marquent le rythme naturel de la Lune, et dont la sortie est combinée par un algorithme pour générer une horloge “virtuelle” plus précise.

Ce qui se passe ensuite dépend de l’option choisie par les métrologues. Ils pourraient décider de baser l’heure lunaire sur UTC. Dans ce cas, cette heure lunaire virtuelle serait régulièrement synchronisée avec l’UTC terrestre. Entre les enregistrements, les horloges maîtresses lunaires continueraient à garder l’heure jusqu’à la prochaine synchronisation. Cela a l’avantage d’être simple à interagir pour les utilisateurs sur Terre.

L’alternative serait d’utiliser la sortie synthétisée des horloges atomiques lunaires comme heure continue et indépendante de la Lune, et de retracer sa relation avec l’UTC. De cette façon, même si la connexion à la Terre est perdue, les horloges de la Lune se correspondront toujours et permettront une navigation et des communications sûres, dit Gramling. Définir une heure indépendante est un modèle qui fonctionnera également pour les planètes plus éloignées que les agences spatiales ciblent en fin de compte, comme Mars. Diffuser en UTC là-bas serait plus compliqué que sur la Lune, ajoute-t-il.

Dans ce scénario, les jours sur la Lune pourraient même être définis différemment de ceux sur Terre, pour tenir compte du fait que le temps entre le midi solaire et le midi solaire prend en moyenne 29,5 jours terrestres. Les jours terrestres seront toujours importants pour les astronautes, étant donné le besoin humain de dormir sur un cycle d’environ 24 heures. Mais la définition est quelque chose sur laquelle les métrologues devront s’entendre.

Les métrologues devront également décider où sur la Lune placer les horloges mères. Tout comme sur Terre, l’altitude des appareils affectera la vitesse de tic-tac. Les montres pourraient être en orbite lunaire ou à la surface, dit Hahn. “C’est ce dont nous discutons en ce moment avec nos collègues de la NASA.”

Les agences spatiales envisagent également d’autres normes nécessaires, telles que les cartes du terrain lunaire et les systèmes de coordonnées à utiliser pour la navigation, par l’intermédiaire du Groupe consultatif sur les opérations inter-agences, un conseil d’agences spatiales nationales et du Comité international du GNSS des Nations Unies. . Pour que les systèmes de différents pays soient interopérables, les systèmes de référence devront être convenus au niveau international, dit Gramling.

Avec l’aide de l’ESA, la NASA développe un framework appelé LunaNet, pour lequel elle espère obtenir une acceptation internationale. LunaNet consiste en un ensemble de règles qui permettraient à tous les systèmes lunaires de calcul, de communication et de navigation par satellite de former un seul réseau de type Internet, quel que soit le pays qui les installe. Le réglage de l’heure lunaire fait partie d’un ensemble beaucoup plus vaste.

“L’idée est de produire un Internet du système solaire”, explique Gramling. “Et la première partie serait sur la Lune.”

Cet article est reproduit avec permission et a été première publication le 24 janvier 2022.