Rol' "sobytii" v izuchenii dvizheniya sputnikov planet
2.03.1997 20:05 | N. V. Emel'yanov/Vselennaya i My

Izuchenie dvizheniya sputnikov, kak i bol'shinstva nebesnyh tel, pochti polnost'yu sostoit v postroenii naibolee blizkoi k deistvitel'nosti mehanicheskoi modeli. Prichem deistvitel'nost' na praktike predstavlena rezul'tatami astronomicheskih nablyudenii nebesnyh tel. Model' dvizheniya - eto nabor matematicheskih formul i metodov vychislenii, a takzhe znacheniya parametrov, vhodyashih v formuly teorii dvizheniya nebesnogo tela. Chtoby sdelat' nashu model' adekvatnoi vsem imeyushimsya nablyudeniyam, nuzhno utochnit' ee. Pri etom v pervuyu ochered' utochnyayutsya znacheniya parametrov dvizheniya, a esli ne udaetsya takim obrazom soglasovat' model' s nablyudeniyami, to predprinimayutsya popytki usovershentstvovat' formuly ili metody vychislenii, vklyuchit' v rassmotrenie novye, neuchtennye do sih por faktory, vliyayushie na dvizhenie nebesnogo tela. Inogda pri etom udaetsya sdelat' vazhnye otkrytiya. Skazannoe otnositsya i k izucheniyu dinamiki sputnikov planet.

V kachestve parametrov teorii dvizheniya sputnika prinimayutsya elementy ego orbity, a takzhe, naryadu s drugimi, parametry gravitacionnogo polya planety, koordinaty i parametry dvizheniya osi vrasheniya planety.

Process utochneniya parametrov imeet smysl vozobnovlyat' v teh sluchayah, kogda povyshayutsya tochnost' teorii i tochnost' nablyudenii. Odnako specifika opredeleniya dvizheniya sputnikov takova, chto v nekotoryh sluchayah okazyvayutsya poleznymi lyubye novye nablyudeniya, vypolnennye s prezhnei tochnost'yu.

V fundamental'nyh rabotah po postroeniyu modeli dvizheniya sputnikov planet obychno ispol'zuetsya ves' nakoplennyi nablyudatel'nyi material. V process utochneniya parametrov vklyuchayut kak sovremennye vysokotochnye nablyudeniya, tak i starye nablyudeniya, vypolnennye v moment otkrytiya nebesnogo tela. V principe, chem bol'she nablyudatel'nogo materiala ispol'zovano, tem dostovernee postroennaya model'. Poetomu pri poluchenii lyubyh novyh nablyudatel'nyh dannyh process utochneniya parametrov osushestvlyayut snova po vsem imeyushimsya dannym. Obogashenie sostava nablyudenii mozhet privesti k vozmozhnosti vklyucheniya novyh parametrov v chislo utochnyaemyh. Tak v nastoyashee vremya po nablyudeniyam sputnikov planet mozhno utochnyat' dazhe uglovuyu skorost' dvizheniya osi vrasheniya planety. Takuyu vozmozhnost' predostavlyaet nebesno-mehanicheskaya teoriya, uchityvayushaya vliyanie gravitacionnogo polya, porozhdennogo slozhnoi figuroi vrashayusheisya planety, na dvizhenie sputnika.

Lyubopytno, chto orbity sputnikov planet mozhno opredelyat', ispol'zuya tol'ko izmereniya raznosti nebesnyh koordinat kakih-libo dvuh iz nih. Vozmozhnost' utochneniya parametrov orbity oboih sputnikov na osnove dostatochnogo chisla takih izmerenii dokazana teoreticheski i podtverzhdena prakticheski v rabotah otechestvennyh i zarubezhnyh issledovatelei.

Zametnoi vehoi v izuchenii dinamiki sputnikov Marsa yavilas' mezhdunarodnaya kampaniya "Fobos", provodivshayasya v 1988-1989 godah. Dva obstoyatel'stva posluzhili tomu osnovoi. Vo-pervyh, protivostoyanie Marsa na blizhaishem rasstoyanii ot Zemli. Vo-vtoryh, stremlenie sovetskih kosmicheskih organizacii osushestvit' ocherednoi zapusk mezhplanetnogo kosmicheskogo apparata novogo tipa. V plane podgotovki k kosmicheskomu eksperimentu v avguste-noyabre 1988 goda sotrudnikami Gosudarstvennogo astronomicheskogo instituta im. P. K. Shternberga byli provedeny intensivnye seansy nazemnyh fotograficheskih nablyudenii Fobosa i Deimosa. Vmeste s predshestvuyushim nablyudatel'nym materialom eti dannye pozvolili sushestvenno utochnit' model' dvizheniya sputnikov. Uspeh etoi operacii byl podtverzhden yarkim faktom: posle sblizheniya kosmicheskogo apparata s Fobosom televizionnye kamery byli obrasheny v napravlenii, predvychislennom na osnove teorii, i okazalos', chto Fobos popal v samyi centr polya zreniya telekamery. Primery izobrazhenii Fobosa, peredannyh apparatom na Zemlyu, privedeny na ris. 1 i ris. 2.

Nesmotrya na izvestnye dosadnye nepoladki s apparaturoi, kosmicheskii ekperiment "Fobos" ne okazalsya bezuspeshnym. V prakticheskoi nebesnoi mehanike byl poluchen novyi udivitel'nyi rezul'tat. Delo v tom, chto do sih por ne bylo nikakih dannyh o plotnosti veshestva, iz kotorogo sdelan Fobos. Razmery sputnika byli opredeleny v predydushih kosmicheskih missiyah k Marsu, no massa ostavalas' neizvestnoi. Vo vremya eksperimenta "Fobos" tochnye koordinaty kosmicheskogo apparata postoyanno opredelyalis' po nazemnym izmereniyam radiosignala s apparata na osnove effekta Doplera. Apparat v nekotorye momenty okazyvalsya stol' blizko k estestvennomu sputniku Marsa, chto ego gravitacionnoe prityazhenie vyzyvalo izmeneniya polozheniya apparata, zametnye po traektornym radiotehnicheskim dannym. Horosho otlazhennaya nebesno-mehanicheskaya teoriya pozvolila opredelit' massu sputnika po etim dannym. Zadachu nebesnoi mehaniki v podobnoi postanovke ves'ma redko udaetsya uspeshno reshit'. V dannom sluchae bylo polucheno naibolee tochnoe v nastoyashii moment znachenie massy Fobosa - (10800±100) milliardov tonn [1].

Ochevidno, chto zametnoe povyshenie tochnosti nablyudenii sputnikov moglo by privesti k sushestvennomu uluchsheniyu modelei ih dvizheniya. Do nedavnego vremeni pozicionnye nablyudeniya sputnikov planet, to est' izmereniya koordinat sputnikov na nebe otnositel'no zvezd ili otnositel'no planety, delalis' isklyuchitel'no pri pomoshi fotograficheskoi tehniki. Tochnost' takih nablyudenii za poslednie desyatiletiya pochti ne menyalas' i v luchshih sluchayah dostigala 0.1 sekundy dugi. V nastoyashee vremya burno razvivayutsya novye sredstva pozicionnyh nablyudenii nebesnyh ob'ektov, osnovannye na mikroelektronnyh priemnikah svetovogo izlucheniya. Eto tak nazyvaemye PZS-matricy. Abbreviatura "PZS" rasshifrovyvaetsya kak "pribor s zaryadovoi svyaz'yu". Ustroeny eti novye "glaza" astronomov sleduyushim obrazom. Na nebol'shoi plastinke razmerom v 5-12 mm naneseny sploshnym obrazom mel'chaishie svetochuvstvitel'nye poluprovodnikovye elementy, preobrazuyushie energiyu kazhdogo pogloshaemogo fotona v elektricheskii signal. Razmer odnogo takogo elementa sostavlyaet ne bolee 0.01 mm. Signaly postupayut v komp'yuter, i posle cifrovoi obrabotki na displee poluchaetsya izobrazhenie, kotoroe bylo postroeno na plastinke ob'ektivom teleskopa. Takie priemniki svetovogo izlucheniya obladayut bol'shei chuvstvitel'nost'yu i razresheniem, chem fotoplastinka. V itoge, k nastoyashemu vremeni s primeneniem PZS-matric tochnost' pozicionnyh nablyudenii nebesnyh tel vozrasla, no ne stol' znachitel'no, chtoby vyzvat' skachok v izuchenii dinamiki sputnikov planet. Ona sostavlyaet dlya luchshih obrazcov PZS-matric okolo 0.03 sekundy dugi.

Povyshenie svetochuvstvitel'nosti registriruyushih priborov s primeneniem PZS-matricy pozvolilo provesti unikal'nye i poka edinstvennye v svoem rode nablyudeniya. Francuzskii nablyudatel' Kolya (eto ego familiya s udareniem na poslednem sloge) v oktyabre 1991 goda poluchil izobrazhenie sputnika Neptuna Protosa, kotoryi byl otkryt v svoe vremya na kosmicheskom appaprate i nikogda do sih por ne nablyudalsya s Zemli iz-za ves'ma malyh razmerov i blizosti k planete. Byli polucheny koordinaty sputnika otnositel'no planety v vos'mi polozheniyah na nebol'shom uchastke vidimoi traektorii otnositel'no planety. Rezul'taty opredeleniya koordinat horosho soglasovyvayutsya s model'yu dvizheniya sputnika, postroennoi po izmereniyam s kosmicheskogo apparata. Tochnost' sostavila 0.08 sekund dugi.

Nablyudeniya, podobnye opisannym vyshe, predstavlyayut bol'shuyu nauchnuyu i prakticheskuyu cennost'. Delo v tom, chto modeli dvizheniya mnogih sputnikov planet, otkrytyh pri pomoshi kosmicheskogo apparata Voyadzher-2 v 1989 godu, postroeny po izmereniyam, sdelannym na ves'ma korotkih intervalah vremeni. Naprimer, orbity shesti sputnikov Neptuna opredeleny na intervalah vremeni ot 14 sutok dlya Talassy do 77 sutok dlya Protosa. Tochnost' opredeleniya planetocentricheskoi dolgoty sostavila okolo 0.01 gradusa. Dinamika sputnikov planet takova, chto oshibka predvychisleniya polozheniya sputnika na orbite uvelichivaetsya proporcional'no vremeni, proshedshemu s momenta poslednego nablyudeniya. Priblizitel'no oshibku predvychisleniya mozhno ocenit' kak oshibku opredeleniya dolgoty po nablyudeniyam, umnozhennuyu na otnoshenie intervala predvychisleniya k intervalu vremeni nablyudenii. Takim obrazom, naprimer, tochnost' predvychisleniya dolgoty Talassy k nachalu 1996 goda okazalas' ravnoi uzhe 1.56 gradusa. Tak mozhno voobshe poteryat' otkrytye sputniki.

1995 i 1996 gody bogaty nauchnymi sobytiyami v izuchenii dinamiki sputnikov Saturna blagodarya nastoyashim "podarkam", kotorye sama priroda delaet uchenym. Rech' idet ob osobyh yavleniyah v sistemah sputnikov planet. V silu redkosti i cennosti v angloyazychnoi literature ih stali nazyvat' "events", a my zdes' upotrebim russkii termin "sobytiya". Delo v tom, chto orbity bol'shinstva sputnikov planet lezhat pochti v ploskosti ekvatora svoih planet. V nekotorye dovol'no redkie momenty vremeni ploskosti orbit sputnikov peresekayutsya po pryamym, blizkim k napravleniyam ot planety k Solncu i k Zemle. Pri nablyudeniyah s Zemli v takie momenty izobrazhenie odnogo sputnika inogda mozhet nalagat'sya na izobrazhenie drugogo sputnika v processe ih dvizheniya vokrug planety. Eti yavleniya nazyvayut pokrytiyami. Obychno sputniki postoyanno osvesheny Solncem, no sluchaetsya, chto odin iz sputnikov popadaet v ten' drugogo. Nastupaet zatmenie sputnika. V processe vzaimnyh pokrytii i zatmenii izmenyaetsya summarnyi blesk dvuh sputnikov, uchastvuyushih v yavlenii. Etu velichinu astronomy davno nauchilis' izmeryat' s ves'ma vysokoi i postoyanno uvelichivayusheisya tochnost'yu. Obrabatyvaya krivye bleska sputnikov v neskol'kih yavleniyah na osnove geometricheskoi modeli, poluchayut srazu neskol'ko parametrov: moment maksimal'nogo sblizheniya sputnikov, uglovoe rasstoyanie mezhdu vidimymi s Zemli centrami sputnikov i radiusy sputnikov.

Cennost' rezul'tatov nablyudenii vzaimnyh pokrytii i zatmenii v sistemah sputnikov planet zaklyuchaetsya v ih vysokoi tochnosti i informativnosti. Tochnost' opredeleniya vidimyh vzaimnyh polozhenii sputnikov dostigaet 0.01 sekundy dugi. Tochnost' opredeleniya radiusov sputnikov sravnima s kachestvom takih zhe dannyh, poluchennyh na kosmicheskih apparatah, proletavshih vblizi planet.

Tablica 1

Planeta	Gody sobytii v sisteme sputnikov
Yupiter	1973, 1979, 1985, 1991, 1997
Saturn	1980, 1995
Uran	1965, 2008
Pluton	1989-1991, 2112-2115

Posledovatel'nost' nekotoryh godov sobytii v sistemah sputnikov planet dana v tablice 1. Chto kasaetsya pokrytii i zatmenii v sisteme Pluton-Haron, to eti udivitel'nye yavleniya, proishodivshie v 1989-1991 godah, vozobnovyatsya tol'ko v 2112 godu. Sobytiya v sisteme Pluton-Haron opisany avtorom nastoyashei stat'i v zhurnale "Zemlya i Vselennaya" [2].

Shema raspolozheniya sputnikov vo vremya pokrytiya i zatmeniya izobrazhena na ris. 3. Vid sputnikov v razlichnye fazy pokrytiya i zatmeniya pokazany na ris. 4.

V sisteme sputnikov Saturna sobytiya proishodyat raz v 14 let, i poslednii takoi period imel mesto s aprelya 1995 goda po fevral' 1996 goda. Unikal'nost' sobytii zaklyuchaetsya v tom, chto v kazhdyi takoi period proishodit okolo 300 vzaimnyh pokrytii i zatmenii sputnikov Saturna, a v predydushii period, 14 let nazad, vypolneny lish' 14 nablyudenii. Kazhdoe yavlenie dlitsya ot 0.5 minuty do neskol'kih chasov. Na lyuboi observatorii mogut sluchit'sya neblagopriyatnye meteorologicheskie usloviya, poetomu ochen' vazhno nablyudat' v raznyh punktah i na razlichnyh geograficheskih dolgotah. Ne trudno dogadat'sya, chto nablyudeniya nekotoryh sobytii okazhutsya vozmozhnymi tol'ko na odnoi iz observatorii, vedushih takie nablyudeniya, i poetomu budut unikal'nymi. U nekotoryh nablyudatelei imeetsya shans proslavit'sya svoim osobym vkladom v obshii bank nablyudenii.

Devyat' naibolee massivnyh sputnikov Saturna byli izvestny eshe v nachale nashego stoletiya. Chetyre novyh malyh sputnika astronomy obnaruzhili v 70-80 godah po nablyudeniyam s Zemli. Eshe chetyre byli otkryty pri pomoshi kosmicheskih apparatov Pioner-11, Voyadzher-1 i Voyadzher-2.

Sputniki Saturna ves'ma interesny s tochki zreniya nebesnoi mehaniki. V to zhe vremya oni predstavlyayut naibol'shie trudnosti pri analiticheskom opisanii ih dvizheniya. Osnovnaya trudnost' zaklyuchaetsya v nalichii ostryh rezonansov v orbital'nom dvizhenii bol'shinstva sputnikov. Ne nahodyat polnogo podtverzhdeniya gipotezy o proishozhdenii sputnikov Saturna. Imeyutsya trudnosti pri opisanii evolyucii ih orbit.

V izuchenii sputnikov Saturna ostayutsya nereshennymi nekotorye special'nye problemy. K nim otnosyatsya:
- razlichiya v znacheniyah radiusov sputnikov, poluchennyh iz izmerenii na kosmicheskih apparatah i naidennyh iz nazemnyh nablyudenii;
- razlichiya v znacheniyah mass sputnikov po dannym kosmicheskih apparatov i po rezul'tatam issledovanii rezonansnyh effektov v ih orbital'nyh dvizheniyah v usloviyah vzaimnogo prityazheniya;
- nepodtverzhdennost' gipotezy ob orbital'nom uskorenii blizkih sputnikov planet.

Astronomy-nablyudateli v periody vzaimnyh sobytii v sistemah sputnikov planet organizuyut i intensivno provodyat soglasovannye odnotipnye nablyudeniya, rezul'taty kotoryh sobirayutsya, sovmestno obrabatyvayutsya i stanovyatsya obshim dostoyaniem vseh uchastnikov kampanii. Neformal'nym koordinatorom nablyudenii yavlyaetsya parizhskii institut Byuro dolgot.

Dlya provedeniya nablyudenii sputnikov planet neobhodimy efemeridy. Eto dannye o vidimom raspolozhenii sputnikov v momenty nablyudenii. V nastoyashee vremya zadacha o vychislenii efemerid stavitsya neskol'ko shire. S odnoi storony, dlya lyubogo izvestnogo sputnika planety uzhe sushestvuet nekotoraya teoriya ego dvizheniya, pozvolyayushaya predvychislyat' ego vidimye koordinaty otnositel'no planety. S drugoi storony, stavitsya zadacha utochneniya modeli dvizheniya sputnika. Efemeridy dolzhny vklyuchat' v sebya rekomendacii po naibolee blagopriyatnym momentam nablyudenii dlya resheniya konkretnoi zadachi o dinamike spunika. Chto kasaetsya vzaimnyh pokrytii i zatmenii sputnikov, to dlya provedeniya nablyudenii etih unikal'nyh yavlenii neobhodimo dostatochno tochno znat' momenty nachala i konca kazhdogo pokrytiya ili zatmeniya.

V otdele nebesnoi mehaniki Gosudarstvennogo astronomicheskogo instituta im. P. K. Shternberga (GAISh) MGU sozdan kompleks sredstv efemeridnogo obespecheniya estestvennyh sputnikov planet. Kompleks predstavlyaet soboi programmnyi produkt dlya personal'nyh komp'yuterov, sovmestimyh s IBM PC, reshayushii efemeridnye zadachi, voznikayushie pri izuchenii dinamiki estestvennyh sputnikov planet. Rabota s programmoi proishodit v forme druzhestvennogo dialoga s ispol'zovaniem podskazok i menyu vozmozhnyh deistvii. Shiroko ispol'zuyutsya graficheskie demonstracii na ekrane, vklyuchaya mul'tfil'my. Pol'zovatel' programmoi vidit na ekrane, kak by v pole zreniya voobrazhaemogo teleskopa, planetu i konfiguraciyu sputnikov vozle nee na lyuboi interesuyushii moment vremeni (ris. 5). Demonstriruetsya prohozhdenie teni ot sputnika po poverhnosti planety, a takzhe vhozhdenie sputnika v ten' planety. Dlya lyuboi observatorii mogut byt' vychisleny usloviya vidimosti planety na nebe v momenty yavlenii, vklyuchaya uglovuyu vysotu planety nad gorizontom, uglovuyu "glubinu" Solnca pod gorizontom, a takzhe raspolozhenie i polnotu Luny, kotoraya chasto yavlyaetsya pomehoi dlya nablyudenii.

Efemeridnaya programma pozvolyaet vychislyat' momenty nachala i konca pokrytiya odnogo sputnika drugim i moment vhozhdeniya odnogo sputnika v ten' drugogo i vyhoda sputnika iz teni.

Obstoyatel'stva vseh vzaimnyh pokrytii i zatmenii v sisteme sputnikov Saturna v period 1995-1996 godov vychisleny v otdele nebesnoi mehaniki GAISh i opublikovany v Astronomicheskom zhurnale [3]. Privedem zdes' nekotorye obshie harakteristiki etih yavlenii. Period vidimosti yavlenii nachalsya v aprele 1995 goda i zakonchilsya v fevrale 1996 goda. V sobytiyah uchastvovalo sem' glavnyh sputnikov Saturna. Perechislim ih v poryadke vozrastaniya rasstoyaniya sputnikov ot planety: 1 - Mimas, 2 - Encelad, 3 - Tefiya, 4 - Diona, 5 - Reya, 6 - Titan, 7 - Giperion. V tabl. 2 dayutsya nekotorye harakteristiki sputnikov, a v tabl. 3 - zvezdnaya velichina summarnoi svetimosti par sputnikov i velichina ee spada (v skobkah) pri polnyh yavleniyah. Vse eti dannye vychisleny dlya momenta sblizheniya Zemli i Saturna - 14 sentyabrya 1995 goda. Sklonenie Saturna v etot moment sostavlyalo 5.8 gradusa. Kolichestvo predvychislennyh yavlenii i ih raspredelenie po mesyacam privodyatsya v tabl. 4.

Nekotoruyu dopolnitel'nuyu informaciyu o sobytiyah v sisteme sputnikov Saturna mozhno naiti v toi zhe stat'e, v kotoroi opublikovany momenty yavlenii [3]. Bolee detal'nuyu informaciyu po obstoyatel'stvam nablyudenii na dannoi observatorii mozhno poluchit' u avtora nastoyashei stat'i.

Literatura

1. Ivanov N. M., Kolyuka Yu. F., Kudryavcev S. M., Tarasov V. P., Tihonov V. F. Doklady AN. 1990. Tom 313, N2, s. 305-308.

2. Emel'yanov N. V. Zemlya i Vselennaya. 1989. Tom 4, s. 27-29.

3. Emel'yanov N. V., Gasanov S. A., Nasonova L. P. Astronomicheskii zhurnal. 1994. Tom 71, vyp. 5, s. 794-804.

 

Tablica 2. Nekotorye vidimye parametry sputnikov na 14.09.1995

Sputnik	Zv.velichina	Radius, km	Vidimyi radius
Mimas	12.89	196	0.031
Encelad	11.69	250	0.040
Tefiya	10.19	530	0.085
Diona	10.39	560	0.090
Reya	9.69	765	0.123
Titan	8.31	2575	0.413
Giperion	14.22	205x130x110	0.028

 

Tablica 3. Summarnaya zvezdnaya velichina par sputnikov i ee spad pri polnyh vzaimnyh velichinah

Sputnik	Mimas	Encelad	Tefiya	Diona	Reya	Titan	Giperion
Mimas	-	11.38	10.10	10.29	9.63	8.29	12.61
	-	(0.31)	(0.09)	(0.10)	(0.03)	(0.02)	(0.28)
Encelad	11.38	-	9.95	10.10	9.53	8.26	11.59
	(0.31)	-	(0.24)	(0.29)	(0.16)	(0.05)	(0.10)
Tefiya	10.10	9.95	-	9.53	9.16	8.13	10.16
	(0.09)	(0.24)	-	(0.86)	(0.53)	(0.18)	(0.03)
Diona	10.29	10.10	9.53	-	9.23	8.16	10.36
	(0.10)	(0.29)	(0.86)	-	(0.46)	(0.15)	(0.03)
Reya	9.63	9.53	9.16	9.23	-	8.04	9.67
	(0.03)	(0.16)	(0.53)	(0.46)	-	(0.27)	(0.02)
Titan	8.29	8.26	8.13	8.16	8.04	-	8.31
	(0.02)	(0.05)	(0.18)	(0.15)	(0.27)	-	(0.00)
Giperion	12.61	11.59	10.16	10.36	9.67	8.31	-
	(0.28)	(0.10)	(0.03)	(0.03)	(0.02)	(0.00)	-

 

Tablica 4. Kolichestvo yavlenii v sisteme glavnyh sputnikov Saturna

God, mesyac	Pokrytii	Zatmenii	Vsego
1995 aprel'	4	2	6
1995 mai	38	3	41
1995 iyun'	13	4	17
1995 iyul'	10	9	19
1995 avgust	34	9	43
1995 sentyabr'	4	6	10
1995 oktyabr'	0	17	17
1995 noyabr'	1	53	54
1995 dekabr'	3	32	35
1996 yanvar'	7	35	42
1996 fevral'	31	4	35
Vsego	145	174	319

Publikacii s klyuchevymi slovami: sputnik Publikacii so slovami: sputnik
Sm. takzhe: Astronavt, kotoryi poimal sputnik Mezhdunarodnaya konferenciya "Rentgenovskoe nebo: ot zvezd i chernyh dyr do kosmologii" po kosmicheskomu proektu Spektr-RG v Kazani Snega Paranala Solnce-360: STEREO poluchil pervyi snimok Solnca celikom Yuzhnyi polyus Fobosa s Marsa-Ekspress Ida i Daktil - asteroid so sputnikom Sputniki Zemli Vse publikacii na tu zhe temu >>