Avvikelse för förbiflygning

Olöst problem i fysik :

Vad orsakar den oväntade förändringen i acceleration för förbiflygningar av rymdfarkoster?

(fler olösta problem inom fysik)

Förbiflygningsanomali är en diskrepans mellan nuvarande vetenskapliga modeller och den faktiska ökningen i hastighet (dvs. ökning av kinetisk energi ) observerad under en planetarisk förbiflygning (vanligtvis av jorden) av en rymdfarkost. I flera fall har rymdfarkoster observerats få högre hastighet än forskare hade förutspått, men hittills har ingen övertygande förklaring hittats. Denna anomali har observerats som förskjutningar i S-bandet och X-bandets Doppler och avståndstelemetri . Den största avvikelsen som noterats under en förbiflygning har varit 13 mm/s.

Observationer

Gravitationshjälp är värdefulla tekniker för utforskning av solsystemet . Eftersom framgången för sådana förbiflygningar beror på banans exakta geometri, spåras positionen och hastigheten för en rymdfarkost under dess möte med en planet kontinuerligt med stor precision av Deep Space Network (DSN).

Räckviddsrester under jordens förbiflygning av NEAR
Under förbiflygningen observerade MESSENGER inga anomalier

Förbiflygningsavvikelsen märktes först under en noggrann inspektion av DSN-dopplerdata strax efter att rymdfarkosten Galileo förbi jorden den 8 december 1990. Medan Dopplerresterna (observerade minus beräknade data) förväntades förbli oförändrade, avslöjade analysen en oväntad 66 mHz- förskjutning, vilket motsvarar en hastighetsökning på 3,92 mm/s vid perigeum . Undersökningar av denna effekt vid Jet Propulsion Laboratory (JPL), Goddard Space Flight Center (GSFC) och University of Texas har inte gett en tillfredsställande förklaring.

Galileos andra förbiflygning på jorden i december 1992, där den uppmätta hastighetsminskningen matchade den förväntade luftmotståndet på den lägre höjden av 303 km. Luftmotståndsberäkningarna hade dock stora felstaplar, så en onormal acceleration kunde inte uteslutas.

Den 23 januari 1998 upplevde rymdfarkosten Near Earth Asteroid Rendezvous ( NEAR ) en onormal hastighetsökning på 13,46 mm/s efter sitt jordmöte. Cassini-Huygens ökade med cirka 0,11 mm/s i augusti 1999, och Rosetta ökade med 1,82 mm/s efter sin förbiflygning på jorden i mars 2005.

En analys av rymdfarkosten MESSENGER (som studerar Merkurius ) avslöjade inte någon signifikant oväntad hastighetsökning. Detta kan bero på att MESSENGER både närmade sig och lämnade jorden symmetriskt kring ekvatorn (se data och föreslagen ekvation nedan). Detta tyder på att anomin kan vara relaterad till jordens rotation.

I november 2009 spårades ESA:s rymdfarkost Rosetta på nära håll under förbiflygning för att exakt mäta dess hastighet, i ett försök att samla in ytterligare data om anomalien, men ingen signifikant anomali hittades.

Junos förbiflygning 2013 på väg till Jupiter gav ingen onormal acceleration.

Under 2018 avslöjade en noggrann analys av banan för den förmodade interstellära asteroiden ʻOumuamua en liten överhastighet när den drog sig tillbaka från solen. Initiala spekulationer antydde att anomalien berodde på avgasning, även om ingen hade upptäckts.

Sammanfattning av några rymdfarkoster som flyger förbi jorden finns i tabellen nedan.

Hantverk
Data
 Galileo I Galileo II NÄRA Cassini Rosetta -I BUDBÄRARE Rosetta -II Rosetta -III Juno Hayabusa2 OSIRIS-REx BepiColombo
Datum 1990-12-08 1992-12-08 1998-01-23 1999-08-18 2005-03-04 2005-08-02 2007-11-13 2009-11-13 2013-10-09 2015-12-03 2017-09-22 2020-04-10
Hastighet i oändlighet, km/s 8,949 8,877 6,851 16.01 3,863 4,056 4.7
Hastighet vid perigeum , km/s 13,738 8,877 12.739 19.03 10,517 10,389 12.49 13.34 14,93 10.3 8.5
Påverkansparameter , km 11261 12850 8973 22680,49 22319 19064
Minimal höjd , km 956 303 532 1172 1954 2336 5322 2483 561 3090 17237 12677
Rymdskepps massa , kg 2497,1 2223,0 730,40 4612.1 2895,2 1085,6 2895 2895 ~2720 590 4000
Banans lutning mot ekvatorn , grader 142,9 138,9 108,0 25.4 144,9 133,1
Avböjningsvinkel, grader 47,46 51.1 66,92 19,66 99,396 94,7 80
Hastighetsökning vid oändlighet, mm/s 3,92±0,08 −4,60±1,00 13,46±0,13 −2±1 1,82±0,05 0,02±0,01 ~0 ~0 0±0,8 ? ? ?
Hastighetsökning vid perigeum , mm/s 2,560±0,050 -9,200±0,600 7,210±0,0700 −1,700±0,9000 0,670±0,0200 0,008±0,004 ~0,000±0,000 −0,004±0,044 ? ? ?
Ökade energi, J/kg 35,1±0,7 92,2±0,9 7,03±0,19 ? ? ?

Andersons empiriska relation

En empirisk ekvation för den anomala hastighetsförändringen för förbiflygning föreslogs 2008 av JD Anderson et al.:

där ω E är jordens vinkelfrekvens , R E är jordens radie och φ i och φ o är rymdfarkostens ingående och utgående ekvatoriska vinklar. Denna formel härleddes senare av Jean Paul Mbelek från speciell relativitetsteori, vilket ledde till en av de möjliga förklaringarna till effekten. Detta tar dock inte hänsyn till SSN- resterna – se "Möjliga förklaringar" nedan.

Möjliga förklaringar

Det har funnits ett antal föreslagna förklaringar till förbiflygningen, inklusive:

  • En postulerad konsekvens av antagandet att ljusets hastighet är isotrop i alla bildrutor, och oföränderlig i metoden som används för att mäta rymdsondernas hastighet med hjälp av Dopplereffekten. De inkonsekventa anomala värdena som uppmäts: positiva, noll eller negativa förklaras enkelt och slappnar av detta antagande. Under förbiflygningsmanövrar härleds sondens hastighetskomponenter i observatörens V o riktning från den relativa förskjutningen df av radiofrekvensen f som sänds av sonden, multiplicerad med ljusets lokala hastighet c ′ med Dopplereffekten: V o = ( df / f ) c ′. Enligt Céspedes-Curé-hypotesen producerar rörelsen genom variabla gravitationsenergidensitetsfält små variationer av rymdens brytningsindex n ′ och därför av ljusets hastighet c ′ vilket leder till oöverskådliga korrigeringar av Dopplerdata som är baserade på en invariant c . Detta leder till felaktiga uppskattningar av hastigheten eller energiförändringen i förbiflygningen på jordens referensram.
  • Oförklarad transversell dopplereffekt — dvs rödförskjutningen av ljuskällan med noll radiell och icke-noll tangentiell hastighet. Detta kan dock inte förklara den liknande anomalien i avståndsdata.
  • En gloria av mörk materia runt jorden.
  • Effekten av allmän relativitet , i dess svaga fält och linjäriserade form som ger gravitomagnetiska fenomen som bilddragning, har också undersökts: den visar sig inte kunna redogöra för anomali för förbiflygning.
  • Den klassiska tidsfördröjda gravitationsförklaringen som föreslagits av Joseph C. Hafele .
SSN-intervallsrester för NEAR-förbiflygningen med räckvidd, fördröjning
  • Räckviddsproportionell överskottsfördröjning av telemetrisignalen som avslöjades av United States Space Surveillance Networks räckviddsdata i NEAR-förbiflygningen. Denna fördröjning, som står för anomalien i både Doppler- och räckviddsdata, såväl som de efterföljande doppleroscillationerna, till inom 10–20 %, pekar på chirp-lägen i mottagningen på grund av dopplerfrekvensen, vilket förutsäger en positiv anomali endast när spårningen av DSN avbryts runt perigeum, och noll eller negativ anomali om spåras kontinuerligt. Inga avvikelser bör uppstå i Doppler som spåras av stationer som inte tillhör DSN.
  • Verkan av en topologisk torsionsström som förutsäger förbiflygande anomalier i retrograd riktning, men nolleffekt när rymdfarkoster närmar sig planeten i prograd riktning med avseende på planetens rotationskänsla.
  • Analysen av Juno- förbiflygningen tittade på analysfel som potentiellt kan efterlikna förbiflygningen. De fann att ett gravitationsfält med hög precision på minst 50×50 koefficienter behövdes för exakta förbiflygningsförutsägelser. Användning av ett gravitationsfält med lägre precision (som en modell med koefficienter på 10×10, tillräckligt för lanseringsanalys), skulle ge ett hastighetsfel på 4,5 mm/s.

Relaterad forskning

Vissa uppdrag designade för att studera gravitation, som MICROSCOPE och STEP , är designade för att göra extremt noggranna gravitationsmätningar och kan kasta lite ljus över anomalien. Men MICROSCOPE har slutfört sitt uppdrag och inte hittat något avvikande, och STEP har ännu inte flygit.

Se även

Litteratur

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Flyby_anomaly&oldid=1141365145 "