In den kommenden Jahrzehnten wird die menschliche Präsenz im Sonnensystem voraussichtlich erheblich zunehmen. Initiativen wie das NASA-Programm „Artemis“ zielen darauf ab, eine dauerhafte Besiedlung auf dem Mond und darüber hinaus zu ermöglichen. Die Festlegung einer einheitlichen Zeitmessung für jeden Ort im Weltraum würde den Astronauten helfen, sich in diesen Welten zu orientieren und die Kommunikation mit der Erde zu koordinieren.
Doch es gibt ein Problem: Die Zeit verläuft nicht überall gleich. Die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein zeigt, dass die Zeit an einem bestimmten Ort von der Stärke des Gravitationsfeldes abhängt. Uhren in Bereichen mit starker Gravitation tickt langsamer als in Gebieten mit schwächerer Gravitation, was bedeutet, dass Menschen, die in Höhenlagen leben, schneller altern können als diejenigen, die sich auf Meereshöhe aufhalten. In großen Höhen, in denen die Gravitationskraft der Erde schwächer ist, scheint die Zeit schneller zu vergehen.
Zusätzlich beeinflusst die Geschwindigkeit eines Planeten auf seiner Bahn um seine Sonne die Zeitmessung: Je schneller die Umlaufgeschwindigkeit, desto schneller vergeht die Zeit.
Die laufende Zeit
Die Wechselwirkungen zwischen Geschwindigkeit und Gravitation führen dazu, dass die Zeit auf verschiedenen Himmelskörpern des Sonnensystems im Vergleich zur Erde unterschiedlich fließt. In einer Studie aus 2024 wurde ermittelt, dass die Uhren auf dem Mond im Durchschnitt 56 Mikrosekunden schneller ticken als die Uhren auf der Erde. Diese Erkenntnis wurde von den Forschern Neil Ashby und Bijunath Patla, beiden Physikern vom National Institute of Standards and Technology in den USA, geliefert und lenkte deren Aufmerksamkeit auf den Mars.
Sie wählten zunächst den Referenzpunkt auf dem Mars – das Equivalent zum Meeresspiegel der Erde, das als Areoid bekannt ist. Daraufhin nutzten sie physikalische Formeln, um zu berechnen, wie die Gravitation und Geschwindigkeit auf dem Areoid die Zeitmessung auf dem Mars beeinflussen würden. Obwohl die Umlaufgeschwindigkeit des Mars im Vergleich zur Erde geringer ist, was theoretisch bedeuten würde, dass die Uhren auf dem Mars langsamer laufen sollten, ist die Gravitation auf der Marsoberfläche schwächer – sie beträgt im Areoid nur ein Fünftel der Erdgravitationskraft auf Meereshöhe – sodass die Uhren dort viel schneller ticken.
Allerdings berücksichtigte diese Analyse nicht die Form der Umlaufbahnen. Die Marsbahn ist aufgrund der Gravitationsanziehung durch die Erde und ihren Mond eher oval und unterscheidet sich von der der Erde. Die um Mars kreisenden Monde Deimos und Phobos haben einen vernachlässigbaren Einfluss, da sie sehr klein sind; ihr Durchmesser beträgt nur wenige Kilometer, verglichen mit den 3475 Kilometern, die der Erdmond hat. Daher integrierten N. Ashby und B. Patla die Form der Marsbahn, die Gravitation der Sonne und die Gravitation des Erdmondes in ihre Berechnungen.
Uhrensynchronisation auf Mars
Die Analyse ergab, dass die Uhren auf dem Mars im Vergleich zu den Uhren auf der Erde schneller ticken – durchschnittlich um 477 Mikrosekunden pro Erdtag. Interessant ist jedoch, dass dieser Wert über ein Marsjahr hinweg um 226 Mikrosekunden pro Tag schwankt (ungefähr die Hälfte des Gesamtwerts). Diese Schwankungen resultieren aus der ovalen Marsbahn und den sich ändernden Gravitationskräften der benachbarten Planeten, wenn sie dem Mars näher kommen oder sich von ihm entfernen.
Zusätzlich fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Uhren um weitere 40 Mikrosekunden pro sieben Mars-Synodene schwanken, was die Zeit beschreibt, die der Planet benötigt, um wieder in die gleiche Position am Himmel zu gelangen. „Die Schwankungen und die Veränderungen im Tanz zwischen den Planeten Erde und Mars waren unerwartet“, erklärt B. Patla. Seiner Meinung nach lagen sie über dem, was er ursprünglich erwartet hatte.
Diese Entdeckungen, veröffentlicht am 1. Dezember im Journal „The Astronomical Journal“, werden dazu beitragen, die Zeitmessung im gesamten Sonnensystem zu synchronisieren. Dies könnte in Zukunft die Entwicklung schneller Kommunikationskanäle für ein interplanetarisches Netzwerk ermöglichen. Allerdings wird die Größe der Schwankungen diese Bestrebungen erschweren, so B. Patla. Er hebt hervor, dass die Studie die Basis für zukünftige Tests der allgemeinen Relativitätstheorie und der fundamentalen Physik, die sich mit der Natur von Raum und Zeit beschäftigt, bildet.
Die Berechnungen waren jedoch immer noch ungenau, da sie einen Fehler von etwa 100 Nanosekunden (0,1 Mikrosekunden) pro Tag über einen längeren Zeitraum aufwiesen, weil kleine Veränderungen im Bewegungsverhalten der Planeten nicht berücksichtigt wurden. Obwohl dieser Fehler sehr gering ist, würde das bedeuten, dass die Mars-Uhren alle 100 Tage neu kalibriert werden müssten.
Die Studie berücksichtigte außerdem nicht Faktoren wie die Präzession der Planetenumläufe (allmähliche Schwankungen) und die quadrupolaren Gravitationsmomente von Erde und Mars, die zeigen, wie deren Masse in ihren Strukturen verteilt ist. Die Wissenschaftler geben an, dass all diese Einschränkungen zusammen die Erlangung genauerer Zeitmessungen erschweren könnten, berichtet „Live Science“.
