Einstein hatte es vorausgesagt; Mars hat es nun bestätigt: Die Zeit verläuft auf dem Roten Planeten nicht gleich. Diese Entdeckung hat weitreichende Folgen für die bevorstehenden Erkundungen der Marsoberfläche.

Um die Synchronisation der Kommunikation während zukünftiger Marsmissionen zu optimieren, war es notwendig zu verstehen, wie die Zeit dort tatsächlich verläuft. Forschende haben nun die Grundlagen für ein zuverlässiges Messsystem gelegt, das auf die spezifischen gravitativen Bedingungen des Mars abgestimmt ist.

Was wir als Sekunde verstehen, ist nicht universell. Abseits der Erde verändert sich diese vertraute Einheit unter dem Einfluss von Schwerkraft und Bewegung. Bisher war es niemandem gelungen, präzise festzustellen, wie stark sich die Zeit auf dem Mars davon unterscheidet. Ein Team von Physikern hat jetzt diesen Schritt gemacht und ein minimal, aber entscheidendes Zeitdifferenz entdeckt.

Warum die Zeitmessung auf verschiedenen Planeten nicht identisch sein kann

Auf der Erde leben wir in einem gravitativen Umfeld, das wir mit extrem präzisen Uhren messen. Diese Instrumente, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basieren, schlagen rhythmisch… jedoch nur lokal. Sobald man sich von der Erde entfernt, ändert sich dieser Rhythmus. Einstein hatte dies bereits vorausgesagt: Schwerkraft verlangsamt die Zeit. In Zonen, in denen diese Kraft schwächer ist, laufen die Uhren unmerklich schneller. Auch bei schneller Bewegung, wie sie für einen Planeten in seiner Umlaufbahn typisch ist, verändern sich die Zeitmessungen. Zwei Himmelskörper mit unterschiedlichen Eigenschaften können daher nicht exakt die gleiche Sekunde erleben.

Ein Team von Forschenden des National Institute of Standards and Technology (NIST) wollte diese Theorie für den Mars testen. Sie kombinierten die allgemeine Relativitätstheorie mit Daten zu planetaren Umlaufbahnen und ermittelten, dass die Zeit auf dem Mars nicht nur leicht anders, sondern zudem unregelmäßig verläuft. Im Gegensatz zum Mond, der die Erde auf einer nahezu kreisförmigen Bahn umkreist, folgt Mars einer wesentlich elliptischeren Bahn. Infolgedessen ändert sich die gravitative Kraft von der Sonne, die auf ihn wirkt, ständig und beeinflusst sein Zeitmaß von Tag zu Tag.

Ergebnisse der NIST-Studie und ihre Bedeutung

Erstmals haben die Forschenden dieses Zeitdifferenz präzise quantifiziert. Im Durchschnitt läuft eine Uhr an der Marsoberfläche 477 Mikrosekunden pro Tag voraus im Vergleich zu einer identischen Uhr auf der Erde. Diese Zahl stellt jedoch nur einen Durchschnitt dar. Die Studie, die von Neil Ashby und Bijunath Patla im Astronomical Journal veröffentlicht wurde, zeigt, dass diese Differenz je nach Position des Mars in seiner Bahn um bis zu 226 Mikrosekunden schwanken kann. Die Daten wurden aus einem relativistischen Modell abgeleitet, das die Einflüsse der Sonne, der Erde, des Mondes sowie der Marsbahn berücksichtigt.

Diese Anpassungen sind keineswegs trivial. Über längere Zeiträume summieren sich diese Unterschiede. Theoretisch würde ein Mensch, der fünfzig Jahre auf dem Mars verbringt, neun Sekunden älter werden als ein Mensch, der sich auf der Erde aufhält, allein aufgrund dieser Zeitbeschleunigung. Diese Diskrepanz wird auch zu einer konkreten wissenschaftlichen Herausforderung. Das NIST betont in seiner offiziellen Mitteilung, dass es entscheidend ist, solche Faktoren zu berücksichtigen, um zuverlässige Navigations- und Kommunikationssysteme zwischen den beiden Planeten zu entwickeln.

Auswirkungen auf interplanetare Navigation und Kommunikation

Dieser kleine Unterschied, der kaum mehr als ein Augenblick ist, könnte ein ganzes Netzwerk desynchronisieren. Die GPS-Systeme der Erde erfordern beispielsweise eine Präzision im Bereich von zehntel Mikrosekunden. Übertragene auf die interplanetare Ebene wird eine derartige Anforderung allerdings zu einer gewaltigen Herausforderung. Für die NIST-Forschenden eröffnet dieser Fortschritt die Möglichkeit, ein planetarisches Synchronisationsnetzwerk zu schaffen, das eine zeitliche Kohärenz zwischen Welten mit unterschiedlichen gravitativen Rhythmen aufrechterhalten kann.

„Die Zeit ist gekommen für den Mond und Mars“, erklärt Bijunath Patla und hebt die Relevanz dieser Forschung in einem Kontext hervor, in dem die Raumfahrtambitionen konkretisiert werden. IFLScience, das die Hauptpunkte dieser Studie aufgreift, hebt hervor, dass die zeitliche Genauigkeit ebenso entscheidend sein wird wie Energie oder Antrieb in künftigen Mars-Expeditionen.

Somit wird die Zeit auf dem Mars zu einem Schlüsselthema nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die praktischen Anwendungen. Autonome Rover, Kommunikationsrelays, intelligente Lebensräume: All diese müssen sich auf ein neues Zeitmaß einstellen. Und sollte irgendwann eine Referenzzeit für den Mars festgelegt werden, muss entschieden werden, wo auf dem Planeten diese angesiedelt wird und auf welcher Grundlage diese neue universelle Uhr konstruiert werden soll.