+ Barycentryczny czas współrzędny Skrót TCB Nazwa francuska Rodzaj relatywistyczny czas współrzędny Układ odniesienia Barycentryczny Niebieski System Odniesienia (BCRS) Zastosowania efemerydy, mechanika nieba, astrometria, dynamika sond międzyplanetarnych Organizacja normalizująca Międzynarodowa Unia Astronomiczna Epoka odniesienia 1 stycznia 1977, 00:00:00 TAI = 00:00:32,184 TCB (w geocentrum)

thumb|Schemat relacji między relatywistycznymi skalami czasu stosowanymi w astronomii

Barycentryczny czas współrzędny (także barycentryczny czas współrzędnych; TCB, od , ) – relatywistyczna skala czasu będąca współrzędną czasową (BCRS), używanego do opisu ruchu ciał w Układzie Słonecznym. Jest stosowana jako niezależna zmienna czasu w obliczeniach orbit planet, planetoid, komet i sond międzyplanetarnych oraz w precyzyjnych efemerydach i astrometrii. Skalę tę wprowadziła Międzynarodowa Unia Astronomiczna w 1991 roku. Biegnie ona nieco szybciej niż skale związane z powierzchnią Ziemi, a stosowany w efemerydach barycentryczny czas dynamiczny (TDB) jest od 2006 roku definiowany jako jej liniowo przeskalowana funkcja.

TCB nie jest czasem mierzonym bezpośrednio przez zegar umieszczony w barycentrum (środku masy) Układu Słonecznego. Jest współrzędną czasową w modelu relatywistycznym, zdefiniowaną razem z przestrzennymi współrzędnymi BCRS. Poglądowo TCB bywa porównywany do czasu idealnego zegara związanego z barycentrum i położonego poza znaczącym potencjałem grawitacyjnym Układu Słonecznego. Nie jest to jednak czas własny żadnego wyróżnionego fizycznego zegara. Praktyczna realizacja skali wymaga zegarów atomowych, efemeryd oraz uzgodnionych transformacji relatywistycznych.

Geneza i definicja Do końca XX wieku w mechanice nieba używano skal czasu wywodzących się z czasu efemerydalnego i barycentrycznego czasu dynamicznego (TDB). Ich definicje były użyteczne obliczeniowo, lecz nie opisywały jednoznacznie relatywistycznego układu współrzędnych. W 1991 roku Międzynarodowa Unia Astronomiczna przyjęła zalecenia, w których wprowadziła między innymi TCB oraz geocentryczny czas współrzędny (TCG) jako skale czasu zgodne z ogólną teorią względności.

Rezolucje IAU z 2000 roku doprecyzowały relatywistyczny formalizm dwóch układów: Geocentrycznego Niebieskiego Systemu Odniesienia (GCRS) i Barycentrycznego Niebieskiego Systemu Odniesienia (BCRS). W tym ujęciu TCB jest czasową współrzędną BCRS, a TCG jest czasową współrzędną GCRS. Definicja skali nie zależy od konkretnego układu zegarów na Ziemi, lecz od postaci metryki czasoprzestrzeni i przyjętego modelu pól grawitacyjnych w Układzie Słonecznym.

Skala TCB używa sekundy układu SI jako jednostki miary, podobnie jak inne nowoczesne astronomiczne skale czasu. Jej epokę ustalono tak, aby 1 stycznia 1977 roku o 00:00:00 TAI odpowiadał momentowi 1977-01-01 00:00:32,184 TCB w geocentrum. Ta sama konwencja łączy TCB, TCG i czas ziemski w epoce odniesienia, chociaż skale te biegną później z różnymi tempami.

Związek z barycentrycznym układem odniesienia BCRS jest układem współrzędnych przeznaczonym do opisu zjawisk w skali Układu Słonecznego i traktowanym jako układ quasi-inercjalny (w przybliżeniu inercjalny). Jego początek jest związany z barycentrum Układu Słonecznego, a osie są nierotujące względem odległych obiektów pozagalaktycznych w sensie przyjętym przez IAU i zgodnym z Międzynarodowym Niebieskim Systemem Odniesienia (ICRS). TCB jest w tym układzie współrzędną czasową, tak jak trzy pozostałe współrzędne opisują położenie przestrzenne.

Taka konstrukcja jest potrzebna, ponieważ w czasoprzestrzeni ogólnej teorii względności nie istnieje jedna globalna skala czasu własnego obowiązująca dla wszystkich obserwatorów. Zegary na powierzchni Ziemi i na sondach międzyplanetarnych podlegają różnej dylatacji czasu ze względu na różne potencjały grawitacyjne i prędkości. TCB pozwala zapisywać równania ruchu i obserwacje w jednym, spójnym układzie współrzędnych.

Relacja do innych skal czasu TCB biegnie szybciej niż zegary znajdujące się w pobliżu powierzchni Ziemi. Średnia różnica tempa względem skal związanych z czasem ziemskim jest opisywana stałą co odpowiada około 0,49 sekundy na rok juliański. Różnica nie jest błędem zegarów, lecz konsekwencją wyboru współrzędnej czasowej w barycentrycznym układzie odniesienia.

Geocentryczny czas współrzędny (TCG) jest analogiczną skalą czasu dla układu związanego ze środkiem masy Ziemi. Różnica między TCB i TCG zawiera składniki zależne od ruchu geocentrum względem barycentrum, od zewnętrznego potencjału grawitacyjnego oraz od położenia obserwatora względem geocentrum. Średnią różnicę tempa między TCG a TCB opisuje analogiczna stała Obie stałe wprowadzono w zaleceniach IAU z 1991 roku. Definiuje się je w geocentrum przez uśrednione stosunki temp oraz powiązane zależnością przy czym wyraża różnicę tempa między TCG a czasem ziemskim. W zastosowaniach praktycznych transformacje między TCB, TCG, czasem ziemskim i skalami realizowanymi przez zegary atomowe są wykonywane według konwencji IERS.

Barycentryczny czas dynamiczny (TDB) jest skalą często używaną w efemerydach – stosowaną jako argument efemeryd ciał Układu Słonecznego od 1984 roku. Od rezolucji IAU z 2006 roku definiuje się go jako liniową transformację TCB z niewielkim stałym przesunięciem, dzięki czemu jego tempo pozostaje bliskie tempu czasu ziemskiego. Według rezolucji IAU 2006 B3 zależność ta ma postać:

We wzorze tym oznacza datę juliańską epoki odniesienia, a stała wynosi  s. TDB pełni więc rolę praktycznej skali efemerydalnej bliskiej czasowi ziemskiemu, podczas gdy TCB pozostaje nieprzeskalowaną współrzędną czasową BCRS.

+ Porównanie wybranych skal czasu Skala Pełna nazwa Układ / odniesienie Relacja praktyczna TCB barycentryczny czas współrzędny BCRS nieprzeskalowana współrzędna czasowa TDB barycentryczny czas dynamiczny powiązany z BCRS liniowa funkcja TCB; tempo bliskie TT TCG geocentryczny czas współrzędny GCRS współrzędna czasowa układu geocentrycznego TT czas ziemski geocentrum powiązany z TAI przez 32,184 s UTC uniwersalny czas koordynowany czas cywilny zawiera sekundy przestępne

Zastosowania TCB jest naturalną zmienną czasu w modelach, które opisują ruch ciał i propagację światła w barycentrycznym układzie odniesienia. Dotyczy to budowy efemeryd planetarnych, obliczania orbit małych ciał Układu Słonecznego, analizy danych astrometrycznych i radiometrycznych, a także planowania oraz redukcji obserwacji sond międzyplanetarnych. Konkretnym przykładem jest efemeryda INPOP (), opracowywana przez IMCCE (). Od wersji INPOP10e (2012) dostarcza wyniki bezpośrednio w TCB – rozwiązanie wprowadzone z myślą o spójności modeli relatywistycznych przy analizie danych misji Gaia.

W praktyce użytkownik efemeryd nie zawsze widzi TCB bezpośrednio. Wiele tablic, usług i programów nadal używa TDB albo innej skali bliskiej czasowi ziemskiemu. Wynika to z ciągłości starszych efemeryd, oprogramowania i zestawów stałych astronomicznych. Mimo to TCB pozostaje podstawową współrzędną czasową w formalizmie IAU i w opisie relatywistycznego barycentrycznego układu współrzędnych.

Interpretacja fizyczna Wartości TCB zapisuje się konwencjonalnie jako daty kalendarza gregoriańskiego albo jako daty juliańskie, ale taki zapis jest tylko konwencją notacyjną. Sama skala nie jest czasem cywilnym ani wariantem UTC. Nie zawiera sekund przestępnych i nie jest synchronizowana z obrotem Ziemi.

W odróżnieniu od czasu własnego, który jest bezpośrednim odczytem zegara poruszającego się po określonej linii świata, TCB jest częścią wybranego układu współrzędnych. Ma sens tylko razem z modelem geometrycznym i grawitacyjnym. Dlatego w dokładnych obliczeniach nie wystarcza sama zmiana etykiety skali czasu. Trzeba także stosować właściwie przeskalowane wielkości dynamiczne, warunki początkowe i stałe astronomiczne.

Znaczenie dla obliczeń astronomicznych Wprowadzenie TCB i TCG uporządkowało wcześniejsze mieszanie skal dynamicznych, atomowych i obserwacyjnych. Umożliwiło jednoznaczny opis tego, czy dane równanie ruchu, efemeryda lub obserwacja jest zapisana w układzie barycentrycznym, czy geocentrycznym. Ma to znaczenie zwłaszcza przy dokładnościach wymaganych przez współczesną astrometrię, geodezję kosmiczną, nawigację międzyplanetarną i testy ogólnej teorii względności.

Różnice między skalami są małe w codziennym sensie, ale duże w porównaniu z precyzją współczesnych pomiarów czasu i położenia. Przy zaniedbaniu właściwej skali czasu błąd może narastać systematycznie, ponieważ TCB oddala się od skal ziemskich o prawie pół sekundy na rok. Z tego powodu w dokumentacji efemeryd i oprogramowania astronomicznego wskazuje się, czy argument czasu jest wyrażony w TCB, TDB, TT, TCG czy UTC.

Przypisy

Linki zewnętrzne IERS Conventions (2010), rozdział 10: relatywistyczne modele czasoprzestrzenne

Kategoria:Teoria względności Kategoria:Mechanika nieba Kategoria:Czas