Аномалія обльоту
Аномалія обльоту або аномалія зближення (англ. flyby anomaly) — несподіване збільшення енергії під час обльотів Землі космічними апаратами. Аномалія спостерігається як зміщення в S-діапазоні (2—4 ГГц або 15—7,5 см) і X-діапазоні (8—12 ГГц або 3,75—2,5 см) доплерівської телеметрії і телеметрії дальності. У сукупності це викликає значне непередбачуване збільшення швидкості до 13 мм/с під час обльоту[1]. Чисельно більші розбіжності (400—1000 м) спостерігалися принаймні в одному обльоті (NEAR) відносно радарів Мережі космічного спостереження США[en] (SSN).
Гравітаційні маневри — це цінний метод для досліджень Сонячної системи. Оскільки успіх цих маневрів обльоту залежить від геометрії траєкторії, положення та швидкість космічного апарата постійно відстежується в ході зустрічі апарата з планетою за допомогою Мережі далекого космічного зв'язку (МДКЗ).
Аномалія обльоту була вперше помічена під час ретельного аналізу доплерівських даних МДКЗ незабаром після обльоту Землі космічним апаратом «Галілео» 8 грудня 1990 року. Хоча очікувалося, що доплерівські залишки (спостережувані мінус розрахункові дані) залишаться незмінними, аналіз показав несподіване зміщення на 66 МГц, що відповідає збільшенню швидкості на 3,92 мм/с у перигеї. Дослідження цього ефекту в Лабораторії реактивного руху, Центрі космічних польотів Ґоддарда і Техаському університеті не дали задовільного пояснення. Жодна аномалія не була виявлена після другого обльоту Землі космічним апаратом «Галілео» в грудні 1992 року, де виміряне зниження швидкості збігалось із тим, що очікується від аеродинамічного опору на нижній висоті 303 км. Однак оцінки опору мали велику похибку, і тому аномальне прискорення не може бути виключене[2].
23 січня 1998 року апарат NEAR Shoemaker отримав аномальне збільшення швидкості 13,46 мм/с після його обльоту Землі, апарат «Кассіні — Гюйгенс» отримав близько 0,11 мм/с в серпні 1999 року, а «Розетта» отримала 1,82 мм/с після обльоту Землі в березні 2005 року.
Аналіз даних космічного апарата MESSENGER (вивчає Меркурій) не виявив яких-небудь істотних несподіваних збільшень швидкості — можливо, тому, що MESSENGER наближався й віддалявся від Землі симетрично відносно екватора (див. дані та запропоноване рівняння нижче). Це дає змогу припустити, що аномалія може бути пов'язана з обертанням Землі.
У листопаді 2009 року за космічним апаратом «Розетта» ЄКА пильно слідкували під час обльоту з метою точно виміряти його швидкість і зібрати додаткову інформацію про аномалію, але ніяких суттєвих аномалій виявлено не було[3].
Обліт 2013 року апаратом «Юнона» на шляху до Юпітера не дав жодного аномального прискорення[4].
Резюме обльотів Землі космічними апаратами представлені в таблиці нижче[5][6].
| Характеристика | Галілео I | Галілео II | NEAR | Кассіні | Розетта-I | MESSENGER | Розетта-II | Розетта-III | Юнона | Хаябуса-2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Дата | 08.12.1990 | 12.12.1992 | 23.01.1998 | 18.08.1999 | 04.03.2005 | 02.08.2005 | 13.11.2007 | 13.11.2009 | 09.10.2013 | 03.12.2015 |
| Швидкість на нескінченності, км/с | 8,949 | 8,877 | 6,851 | 16,01 | 3,863 | 4,056 | 4,7 | |||
| Швидкість у перигеї, км/с | 13,738 | — | 12,739 | 19,03 | 10,517 | 10,389 | 12,49 | 13,34 | 10,3 | |
| Параметр зіткнення, км | 11261 | 12850 | 8973 | 22 680,49 | 22319 | |||||
| Мінімальна висота, км | 956 | 303 | 532 | 1172 | 1954 | 2336 | 5322 | 2483 | 561[7] | 3090[8] |
| Маса космічного апарата, кг | 2497,1 | 730,40 | 4612,1 | 2895,2 | 1085,6 | 2895 | 2895 | ~2720 | 590 | |
| Нахил траєкторії до орбіти, градусів | 142,9 | 138,9 | 108,8 | 25,4 | 144,9 | 133,1 | ||||
| Кут відхилення, градусів | 47,46 | 51,1 | 66,92 | 19,66 | 99,396 | 94,7 | 80 | |||
| Зростання швидкості на нескінченності, мм/с | 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[4] | ? |
| Зростання швидкості у перигеї, мм/с | 2,56 ± 0,05 | 7,21 ± 0,07 | −1,7 ± 0,9 | 0,67 ± 0,02 | 0,008 ± 0,004 | ~0 | −0,004 ± 0,044 | ? | ||
| Отримана енергія, Дж/кг | 35,1 ± 0,7 | 92,2 ± 0,9 | 7,03 ± 0,19 | ? |
Нові місії з обльотами Землі включають BepiColombo із запуском у жовтні 2018 року та обльотом Землі у квітні 2020 року.
Деякі місії призначені для вивчення гравітації, як-от STEP[en], будуть робити дуже точні виміри гравітації і можуть пролити світло на цю аномалію[9].
Емпіричне рівняння для аномальної зміни швидкості при обльоті було запропоноване Дж. Д. Андерсоном зі співавт.:
де:
- ωЕ — кутова частота Землі;
- RЕ — радіус Землі;
- φя і φо — вхідний і вихідний екваторіальний кут апарата[10].
Рівняння не враховує залишків SSN — див. «Можливі пояснення» нижче.
Було запропоновано кілька можливих пояснень аномалії обльоту, зокрема:
- Неврахований поперечний ефект Доплера, тобто червоне зміщення джерела світла з нульовою радіальною і ненульовою тангенціальною швидкістю[11]. Однак це не може пояснити подібну аномалію в даних виміру дальності.
- Гало темної матерії навколо Землі[12].
- Модифікація інерції в результаті Габбл-масштабного ефекту Казимира, пов'язаного з ефектом Унру (MiHsC)[13][14].
- Вплив загальної відносності, яка в її слабкому полі та лінеаризованій формі створює гравітоелектричні і гравітомагнетичні феномени, як-от ефект Лензе — Тіррінга, також досліджувався[15], але вона також не може пояснити аномалію обльоту.
- Джозеф К. Хафеле запропонував пояснення запізнювання гравітації від часу[16].
- Пропорційна до дальності надмірна затримка телеметричного сигналу була виявлена в даних Мережі космічного спостереження США[en] щодо телеметрії дальності обльоту NEAR[17]. Ця затримка, яка пояснює аномалію і в доплерівських даних, і в даних телеметрії дальності, а також кінцеві доплерівські коливання в межах 10—20 %, вказує на внутрішньоімпульсні лінійні частотні модуляції (chirp modes) в прийомі сигналів внаслідок доплерівського коефіцієнта (співвідношення швидкості хвилі до її швидкості в середовищі), прогнозує позитивну аномалію тільки коли відстеження траєкторії станціями МДКЗ переривається близько перигею, а також нульову або негативну аномалію, якщо вона відстежується неперервно. Ніяких аномалій не повинно спостерігатися, якщо доплерівське відстеження здійснюється не станціями МДКЗ[18].
- ↑ ESA's Rosetta spacecraft may help unravel cosmic mystery. European Space Agency. 12 листопада 2009. Процитовано 13 березня 2010.
{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з параметром url-status, але без параметра archive-url (посилання) - ↑ C, Edwards, J. Anderson, P, Beyer, S. Bhaskaran, J. Borders, S. DiNardo, W. Folkner, R. Haw, S. Nandi, F. Nicholson, C. 0ttenhoff, S. Stephens (1993). TRACKING GALILEO AT EARTH-2 PERIGEE USING THE TRACKING AND DATA RELAY SATELLITE SYSTEM. Архів оригіналу за 4 березня 2016. Процитовано 3 березня 2017.
- ↑ J. Biele (2012). Navigation of the interplanetary Rosetta and Philae spacecraft and the determination of the gravitational field of comets and asteroids – (DLR) @ TU München, 2012 (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 29 листопада 2014. Процитовано 18 листопада 2014.
- ↑ а б Thompson, Paul F., Matthew Abrahamson, Shadan Ardalan, and John Bordi. (2014). Reconstruction of Earth flyby by the Juno spacecraft. AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting; 24th;. Santa Fe, NM: AAS,. с. 14—435. Архів оригіналу за 15 вересня 2016. Процитовано 3 березня 2017.
- ↑ Mystery remains: Rosetta fails to observe swingby anomaly. ESA. Архів оригіналу за 23 грудня 2009.
- ↑ Anderson, John D.; James K. Campbell; Michael Martin Nieto (July 2007), The energy transfer process in planetary flybys, New Astronomy, 12 (5): 383—397, arXiv:astro-ph/0608087, Bibcode:2007NewA...12..383A, doi:10.1016/j.newast.2006.11.004
- ↑ NASA'S JUNO SPACECRAFT RETURNS 1ST FLYBY IMAGES OF EARTH WHILE SAILING ON TO JUPITER. Архів оригіналу за 23 лютого 2017. Процитовано 3 березня 2017.
- ↑ Hayabusa2 Earth Swing-by Result. Архів оригіналу за 30 вересня 2018. Процитовано 3 березня 2017.
- ↑ Páramos, Jorge; Hechenblaikner, G. (2013). Probing the Flyby Anomaly with the future STE-QUEST mission. Planetary and Space Science. 79—80: 76—81. arXiv:1210.7333. Bibcode:2013P&SS...79...76P. doi:10.1016/j.pss.2013.02.005.
- ↑ Anderson та ін. (7 березня 2008), Anomalous Orbital-Energy Changes Observed during Spacecraft Flybys of Earth (PDF), Phys. Rev. Lett., 100 (9): 091102, Bibcode:2008PhRvL.100i1102A, doi:10.1103/physrevlett.100.091102, PMID 18352689, архів оригіналу (PDF) за 4 червня 2016, процитовано 3 березня 2017.
- ↑ Mbelek, J. P. (2009). Special relativity may account for the spacecraft flyby anomalies. arXiv:0809.1888 [qr-qc].
- ↑ S.L.Adler (2008), Can the flyby anomaly be attributed to Earth-bound dark matter?, Physical Review D, 79 (2): 023505, arXiv:0805.2895, Bibcode:2009PhRvD..79b3505A, doi:10.1103/PhysRevD.79.023505
- ↑ M. E. McCulloch (2008), Modelling the flyby anomalies using a modification of inertia, MNRAS Letters, 389 (1): L57—L60, arXiv:0806.4159, Bibcode:2008MNRAS.389L..57M, doi:10.1111/j.1745-3933.2008.00523.x
{{citation}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання) - ↑ Архівована копія. Архів оригіналу за 29 січня 2017. Процитовано 3 березня 2017.
{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання) - ↑ L. Iorio (2009), The Effect of General Relativity on Hyperbolic Orbits and Its Application to the Flyby Anomaly, Scholarly Research Exchange, 2009: 1—8, arXiv:0811.3924, Bibcode:2009ScReE2009.7695I, doi:10.3814/2009/807695, 807695
{{citation}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання) - ↑ http://www.ptep-online.com/index_files/2013/PP-33-01.PDF [Архівовано 10 березня 2016 у Wayback Machine.] — Causal Version of Newtonian Theory by Time–Retardation of the Gravitational Field Explains the Flyby Anomalies
- ↑ P. G. Antreasian; J. R. Guinn (1998), Investigations into the unexpected delta-v increase during the Earth Gravity Assist of GALILEO and NEAR (PDF), AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conf. and Exhibition, Boston, paper no. 98-4287, архів оригіналу (PDF) за 27 червня 2011, процитовано 3 березня 2017
- ↑ V. Guruprasad (2015), Observational evidence for travelling wave modes bearing distance proportional shifts, EPL, 110 (5): 54001, arXiv:1507.08222, Bibcode:2015EL....11054001G, doi:10.1209/0295-5075/110/54001
- J. D. Anderson; J. G. Williams (2001), Long-range tests of the equivalence principle, Class. Quantum Grav., 18 (13): 2447—2456, Bibcode:2001CQGra..18.2447A, doi:10.1088/0264-9381/18/13/307.
- C. Lämmerzahl; O. Preuss; H. Dittus (2006), Is the physics within the Solar system really understood?, Proceedings of the 359th WE-Heraeus Seminar on "Lasers, Clocks, and Drag-Free: Technologies for Future Exploration in Space and Tests of Gravity", arXiv:gr-qc/0604052 Associated presentation slides[недоступне посилання з травня 2019].
- J. D. Anderson; J. K. Campbell; M. M. Nieto (2006), The Energy Transfer Process in Planetary Flybys, New Astronomy, 12 (5): 383—397, arXiv:astro-ph/0608087, Bibcode:2007NewA...12..383A, doi:10.1016/j.newast.2006.11.004
- NASA Baffled by Unexplained Force Acting on Space Probes [Архівовано 20 грудня 2010 у Wayback Machine.] (2008), at Space.com.
- J. D. Anderson; J. K. Campbell; J. E. Ekelund; J. Ellis; J. F. Jordan (2008), Anomalous Orbital-Energy Changes Observed during Spacecraft Flybys of Earth (PDF), Physical Review Letters, 100 (91102): 091102, Bibcode:2008PhRvL.100i1102A, doi:10.1103/PhysRevLett.100.091102, PMID 18352689, архів оригіналу (PDF) за 16 жовтня 2008, процитовано 3 березня 2017.
- Wanted: Einstein Jr [Архівовано 2 червня 2016 у Wayback Machine.] (2008), at Economist.com [Архівовано 5 травня 2007 у Wayback Machine.].
- K. Svozil; K. Svozil (2007). Microphysical analogues of flyby anomalies. New Astronomy. 12 (5): 383—397. arXiv:0804.2198. Bibcode:2007NewA...12..383A. doi:10.1016/j.newast.2006.11.004.
- Lämmerzahl, Claus (2008). The Pioneer Anomaly or Do We Really Understand the Physics With the Solar System? (PDF). Center for Applied Space Technology and Microgravity. University of Bremen. с. 123. Архів оригіналу (pdf; 6.25 MB, talk/slides) за 26 вересня 2015. Процитовано 3 березня 2017.
- Aste, Andreas (2008). Spacecraft Anomalies: An Update (PDF). Department of Physics. University of Basel. с. 29. Архів оригіналу (pdf; 9.8 MB, talk/slides) за 7 листопада 2016. Процитовано 3 березня 2017.