JILA, NASA и PTB разработали план по размещению сверхстабильной лазерной системы в одном из постоянно темных кратеров Луны

Иллюстрация темных кратеров вблизи южного полюса Луны.

Научная фотобиблиотека / Alamy

Группа исследователей из JILA, NASA и немецкого национального института метрологии [Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB).] разработала план по размещению сверхстабильной лазерной системы в одном из постоянно темных кратеров Луны, утверждая, что это устройство может стать краеугольным камнем лунной системы времени и помочь космическим аппаратам осуществлять посадку с более высокой точностью.Предложение, изложенное в статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv в этом месяце, использует экстремальные условия, обнаруженные в постоянно затененных областях Луны, которые являются одними из самых холодных мест в Солнечной системе. Ведущий автор Цзюнь Е из JILA в Боулдере, штат Колорадо, и его коллеги полагают, что температуры в диапазоне от 20 до 50 кельвинов в сочетании с естественным отсутствием вибраций на Луне и практически вакуумной атмосферой делают эти кратеры идеальными местами для размещения лазерной системы, которая превзойдет любые земные аналоги.

«Вся окружающая среда стабильна, это ключевой момент, — рассказал Е изданию New Scientist. — Даже когда на Луне сменяются лето и зима, температура все равно остается в пределах от 20 до 50 кельвинов. Это невероятно стабильная среда».

Как это работает

Система будет использовать криогенный монолитный кремниевый резонатор для стабилизации лазерного излучения. На Земле такие устройства требуют сложных систем охлаждения и виброизоляции. На Луне же суровые условия становятся преимуществом — области постоянной тени обеспечивают естественное охлаждение и свободны от сейсмических возмущений, которые досаждают земным лабораториям.

Исследователи подсчитали, что лунная система может поддерживать когерентность более одной минуты, что более чем в десять раз превышает показатели лучших современных земных систем. Такая экстремальная стабильность критически важна для высокоточного измерения времени и навигации.

Решение проблем с посадкой

Данное предложение появляется в тот момент, когда космические агентства сталкиваются с трудностями посадки вблизи южного полюса Луны, где планируется приземление предстоящих пилотируемых миссий в рамках программы NASA Artemis. Низкие углы падения солнечного света вблизи полюсов создают чрезвычайно длинные тени, которые дезориентируют оптические навигационные системы, создавая угрозы для точной посадки.

Локальная система отсчета времени могла бы помочь решить эти проблемы. Без надежной системы позиционирования космические аппараты вынуждены полагаться на визуальные ориентиры, которые становятся ненадежными на затененной местности.

Создание лунной системы времени

Предложение согласуется с более широкими усилиями по созданию стандартизированной системы измерения времени на Луне. В апреле 2024 года Белый дом поручил NASA разработать координированное лунное время к концу 2026 года. Из-за более слабой гравитации Луны время там идёт примерно на 58,7 микросекунды быстрее в сутки по сравнению с Землёй — эта разница создаёт проблемы для синхронизированных операций.

Европейское космическое агентство отдельно предложило NovaMoon — навигационную и хронометрическую станцию для своего посадочного модуля Argonaut, которая будет интегрировать атомные часы и лазерные отражатели. Команда Е предполагает, что их ультрастабильный лазер мог бы дополнить такие усилия, обеспечив основу для распределения стабильных оптических сигналов по сетям лунных спутников и наземных объектов.

https://www.newscientist.com/article/2515874-scientists-want-to-put-a-super-laser-on-the-moon/

Хронометрия

https://arxiv.org/html/2602.06352v1

PDF

https://arxiv.org/pdf/2602.06352v1.pdf

Контекст по теме

https://bidenwhitehouse.archives.gov/ostp/news-updates/2024/04/02/white-house-office-of-science-and-technology-policy-releases-celestial-time-standardization-policy/

Контекст

Дальнометрия (не хроно)

https://ilrs.gsfc.nasa.gov/

Уточнения, повтор

Кремниевая полость (silicon cavity) — это вырезанная внутри цельного кристалла кремния пустота с зеркальными стенками. Лазерный луч "застревает" внутри, многократно отражаясь (миллионы раз), что делает частоту лазера сверхстабильной — как идеальные часы [arXiv:2602.06352v1].Почему на Луне это работает лучшеХолод 20–50 K в кратере → кремний почти не расширяется (0.5 ppm/K).Нет вибраций → полость не "дрожит".Монолит → нет зеркал на клею, которые смещаются.Результат: коэффициент когерентности >1 минуты против 5–10 секунд на Земле. Это основа для Lunar Time и навигации [New Scientist].