Реферат
Объем диссертации составляет 208 страниц, в том числе 35 рисунков и 35 таблиц. В списке литературы 244 названия.
Ключевые слова: радиолокационные и оптические наблюдения, рельеф поверхностей планет, солнечная корона, эфемеридная астрономия, определение орбит планет, система отсчета ICRF, теория относительности, релятивистские параметры, вековое изменение гравитационной постоянной, сжатие Солнца, динамика оси вращения Марса, массы планет и астероидов.
Проведение все усложняющихся космических экспериментов потребовало создания эфемерид существенно более точных, чем классические. Развитие современной техники позиционных наблюдений тел Солнечной системы (радио и светолокация, траекторные измерения, интерферометрия) обеспечивают такую возможность. Радиолокационные наблюдения планет и космических аппаратов (КА) 1961-2003 гг., а также оптические наблюдения разных типов XX века были использованы для построения численной теории движения больших планет ЕРМ (Ephemerides of planets and the Moon), охватывающей интервал 1880-2020 гг. Достигнутая точность согласования радиолокационных наблюдений с теорией, составляющая метры, позволила уточнить ряд астрономических постоянных, осуществить проверку общей теории относительности, оценить величину изменения гравитационной постоянной, получить оценки сжатия Солнца, общей массы астероидов главного пояса, а также массы крупнейших астероидов.
Введение
Актуальность темы.
Введение в астрономическую практику новых наблюдательных методов (локация планет и Луны, траекторные измерения, интерферометрия спутников и квазаров, CCD наблюдения покрытий) и Международной шкалы атомного времени, а также необходимость решения задач эфемеридного обеспечения космических экспериментов потребовали создания планетных эфемерид, существенно более точных, чем классические. С другой стороны, именно высокоточные современные наблюдения (и радиолокационные наблюдения планет и космических аппаратов, в частности) обеспечили возможность создания эфемерид нового поколения. Такие эфемериды, призванные быть основой национального ежегодника, позволяют решать возникающие эфемеридные задачи, требующие повышенной точности. Они предоставляют новые возможности для уточнения значений ряда астрономических постоянных: величины астрономической единицы, параметров вращения планет, масс планет и астероидов, сжатия Солнца. Особый интерес представляет исследование вековых вариаций некоторых астрономических постоянных, что дает возможность осуществить проверку эффектов общей теории относительности и конкурирующих с ней теорий, а также оценить переменность гравитационной постоянной, характеризующей фундаментальные свойства нашего пространства - времени.
Целью работы является:
• Построение высокоточных численных эфемерид планет для использования как основы национального ежегодника и для обеспечения космических экспериментов в дальнем космосе.
• Уточнение постоянных этих эфемерид из обработки наблюдений разных типов, включая современные высокоточные радиотехнические астрометрические данные и оптические наблюдения за последние сто лет.
7
• Определение из анализа наблюдений ряда астрономических постоянных, определяющих динамическую структуру Солнечной системы.
Структура и содержание диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 208 страницах, содержит 35 таблиц и 35 рисунков. Список литературы включает 244 наименования.
Во ведении обсуждается постановка задачи.
Первая глава "Математическое моделирование движения больших планет" содержит:
• историю построения современных эфемерид планет;
• описание основных возмущений, влияющих на движение планет;
• математическую модель движения планет, включающую уравнения их движения;
• оценки ошибок интегрирования модели и интерполяции полученных координат.
Во второй главе "Радиотехнические наблюдения и особенности их обработки" даются:
• обзор результатов, полученных из радиолокационных наблюдений;
• описание различных типов радиотехнических наблюдений больших планет и вычисление наблюдаемых величин;
• методика редукции радарных наблюдений, в которой обсуждаются вопросы
а) распространения радиосигналов в плазме солнечной короны (выведено аналитическое выражение за этот эффект и определяются параметры модели распределения плотности в солнечной короне);
8
б) распространения радиоволн в тропосфере Земли;
в) релятивистские эффекты распространения радиосигналов и редукции наблюдений к собственному времени;
г) коррекции наблюдений за топографию поверхностей лоцируе-мых планет, существенно уменьшающей систематические ошибки в наблюдениях и улучшающей точность определения параметров (приводится разработанная автором методика учета рельефа Марса, Венеры, Меркурия);
• методика составления нормальных мест наблюдений.
В третьей главе "Оптические наблюдения и их редукция" описаны:
• различные типы оптических наблюдений (общее число наблюдений — около пятидесяти тысяч) и вычисление их невязок;
• редукции оптических наблюдений, в том числе
а) за переход к международной небесной системе отсчета — ICRF,
б) за эффект фазы.
В четвертой главе "Построение эфемерид ЕРМ2004 на 140-летнем интервале времени (1880-2020 гг.) и сравнение с эфемеридами DE" приведены:
• условные уравнения обработки для радарных и оптических наблюдений;
• описание процесса улучшения и определения постоянных;
• параметры ориентации ЕРМ2004 в ICRF;
• представление наблюдений эфемеридами ЕРМ2004;
• константы ЕРМ2004;
9
• точность построенных эфемерид;
• сравнение эфемерид ЕРМ с DE200, DE403, DE410;
• построение версии ЕРМ эфемерид в шкале времени ТСВ.
В пятой главе "Определение астрономических постоянных", приведены результаты определения следующих астрономических постоянных:
• оценка векового изменения гравитационной постоянной {G/G);
• параметры ППН-формализма;
• вековое движение перигелиев планет;
• квадрупольный момент Солнца;
• параметры вращения Марса (рассмотрена методика вычисления положений посадочных аппаратов на Марсе и условные уравнения для ПА);
• массы Юпитера, астероидов и общая масса астероидов главного пояса.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные автором в диссертации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• Для уточнения редукции наблюдений и модели движения планет автором разработан и реализован ряд новых алгоритмов, в частности для учета возмущений от сжатия Солнца и дополнительного кольца астероидов, редукции за топографию Марса, Венеры и Меркурия, существенно увеличившие точность определения элементов орбит планет и астрономических постоянных; предложено аналитическое выражение для учета задержки
10
при распространении радиосигналов в плазме солнечной короны и определения на его основе параметров модели распределения плотности в солнечной короне для разных соединений с Солнцем.
• Впервые совместным интегрированием больших планет, Луны и 301 астероида построены высокоточные численные эфемериды планет. Таким образом, учтены возмущения астероидов не только на Землю и Марс, но и на Меркурий и Венеру, что важно для проектов типа Venus Express и BepiColombo.
• Впервые построена версия эфемерид ЕРМ в шкале ТСВ, рекомендуемой резолюциями MAC в качестве независимой переменной.
• Впервые динамическим методом из обработки радарных наблюдений планет и космических аппаратов (КА) оценено значение динамического сжатия Солнца (J2), полученное одновременно с оценками ППН-параметров (/3, 7)5 что ранее не удавалось из-за высокой корреляции между ними, а также найдены оценки предполагаемого в некоторых теориях векового изменения гравитационной постоянной (G/G) и общей массы астероидного кольца.
Практическая ценность работы
• Построенная теория движения планет (ЕРМ2004) может быть использована для решения эфемеридных задач, требующих повышенной точности, в частности для обеспечения полетов в дальнем космосе.
• Высокоточные эфемериды ЕРМ2000 являются основой "Дополнений к Астрономическому ежегоднику" на 2000-2010 гг., а эфемериды ЕРМ2004 положены в основу национального "Ежегодника" с 2006 г.
• Развитые в работе методики учета возмущений астероидов на планеты, а также редукции наблюдений за топографию поверх-
11
ностей планет и за запаздывание в солнечной короне используются при построении высокоточных эфемерид планет и обработке радиолокационных измерений планет и КА.
• Полученные оценки ППН-параметров и предполагаемого векового изменения гравитационной постоянной показывают замечательное соответствие движений планет и распространения света общей теории относительности и значительно сужают область возможных значений альтернативных теорий гравитации.
Результаты, выносимые на защиту
1. Численные эфемериды планет ЕРМ2004, адекватные метровой точности современных радиотехнических наблюдений, построенные совместным интегрированием планет и 301 астероида, в которых впервые учтено возмущение астероидов на орбиты всех планет, а элементы орбит планет определены из обработки более 317000 наблюдений разных типов за 1913-2003 г.
2. Версия эфемерид планет в шкале ТСВ, рекомендуемой резолюциями MAC в качестве независимой переменной.
3. Оценки релятивистских параметров, полученные из анализа радарных наблюдений планет, космических и посадочных аппаратов и показывающие полное соответствие ОТО:
а) оценка сверху величины изменения гравитационной постоянной
\G/G\ < 10"13 в год,
б) ППН-параметры ? = 1.0000 ± 0.0001, 7 = 0.9999 ± 0.0002.
4. Динамическая оценки, определяющие структуру Солнечной системы:
а) квадрупольный момент Солнца Зч = (1.9 ± 0.3) • 10~7.
б) оценка общей массы астероидов главного пояса
12
= (15 ± 1) • 1O-1OM0,
в) параметры, характеризующие положение и движение оси вращения Марса, в том числе скорость прецессии его оси
пд = (-7.612 ± 0.005)" в год.
Апробация работы
Основные результаты, полученные в работе, докладывались на следующих конференциях:
1. Всесоюзное совещание по астрономическим эфемеридам, Ленинград, ноябрь 1977 г.
2. Всесоюзное совещание по астрономическим эфемеридам, Ленинград, октябрь 1979 г.
3. XXII астрометрическая конференция СССР, Москва, июнь 1981 г.
4. Symposium IAU N 114, "Relativity in celestial mechanics and astrom-etry", Leningrad, 28-31 May, 1985.
5. Всесоюзное совещание "Исследование фигур и гравитационных полей Земли, Луны и планет", Ленинград, ИТА АН СССР, ноябрь, 1988.
6. Всесоюзное совещание "Эфемеридная астрономия и позиционные наблюдения", Ленинград, ИТА АН СССР, сентябрь, 1991.
7. Третья международная Орловская конференция "Изучение Земли как планеты методами астрономии, геофизики, геодезии", Одесса, сентябрь, 1992.
8. Международная конференция "Dynamics and astrometry of natural and artificial celestial bodies", Poznan, Poland, 13-17 September, 1993.
9. Российская астрометрическая конференция, Пулково, октябрь, 1993.
13
10. Российская конференция "Теоретическая, прикладная и вычислительная небесная механика", ИТА РАН, С.-Петербург, октябрь 1993.
11. Конференция "Стохастические методы и эксперименты в небесной механике", Архангельск, 13-17 июля, 1995.
12. Symposium IAU MAC 172, "Dynamic, ephemerides and astrometry in the solar system", Paris, 3-8 July, 1995.
13. XXVI радиоастрономическая конференция, С.-Петербург, ИПА РАН, 18-22 сентября, 1995.
14. Colloquium IAU 165, "Dynamics and Astrometry of Natural and Artificial Celestial Bodies", Poznan, Poland, 1-5 July, 1996.
15. Российская конференции "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики", С.-Петербург, ИПА РАН, 23-27 октября, 1996 г.
16. XXVII радиоастрономическая конференция "Проблемы современной радиоастрономии", С.-Петербург, ИПА РАН, 10-14 ноября, 1997.
17. Международная конференция Journees 1999 &; IX. Lohrmann-Kollo-quium "Motion of celestial bodies, astrometry and astronomical reference frames", Dresden, Germany, 13-15 September, 1999.
18. Международная конференция JENAM-2000 "European astronomy at the turn of the Millennium", Москва, 29 мая - 3 июня, 2000.
19. Российская конференция "Астрометрия, геодинамика и небесная механика на пороге XXI века", С.-Петербург, ИПА, 19 - 23 июня, 2000 г.
20. XXIV General Assembly IAU, Manchester, UK, 7-18 August, 2000.
21. Всероссийская астрономическая конференция, С.-Петербург, 6-12 августа, 2001.
14
22. Международная конференция "AstroKazan-2001: Astronomy and geodesy in new millennium", Казань, 24-29 сентября, 2001.
23. Международная рабочая встреча "Ceres-2001 Workshop — as-trometry and physics of minor planets from observational networks", Paris, France, 9-12 October, 2001.
24. Международная конференция "Celestial Mechanics-2002: Results and Prospects", С.-Петербург, 10-14 сентября 2002.
25. Международная конференция "Journees-2003, Astrometry, Geody-namics and Solar System Dynamics: from Milliarcseconds to Microarc-seconds", С.-Петербург, 22-25 сентября, 2003.
26. Colloquium IAU 196 "Transits of Venus: New views of the solar system and Galaxy", Preston, UK, 7-11 June, 2004.
Результаты диссертации опубликованы в 29 работах объемом 369 страниц:
1. Питьева Е.В., 1979. Использование радиолокационных наблюдений для уточнения элементов орбиты Меркурия. - Бюлл. ИТА, 14, N 7, 421-425.
2. Красинский Г.А., Питьева Е.В., Свешников М.Л., Свешникова Е.С., 1981. Некоторые результаты обработки радиолокационных, лазерных и оптических наблюдений внутренних планет и Луны. - ДАН СССР, 261, N 6, 1320-1324.
3. Питьева Е.В., 1982. Учет топографии Марса и Венеры при обработке радиолокационных наблюдений. - Бюлл. ИТА, 15, N 3, 169-175.
4. Красинский Г.А., Питьева Е.В., Свешников М.Л., Свешникова Е.С., 1982. Уточнение эфемерид внутренних планет и Луны по радиолокационным, лазерным и меридианным измерениям 1961— 1980 гг. - Бюлл. ИТА, 15, N 3, 145-164.
15
5. Красинский Г.А., Питьева Е.В., Свешников М.Л., Свешникова Е.С., 1984. Уточнение эфемерид внутренних планет и Луны. -Сб. "Проблемы астрометрии" (XXII астрометрическая конференция), ред. Подобед В.В., МГУ, М-ва, 296-299.
6. Питьева Б.В., 1986. Экспериментальное определение релятивистских эффектов по радиолокационным наблюдениям внутренних планет. - Бюлл. ИТА, 15, N 9, 538-543.
7. Krasinsky G.A., AleshkinaE.Yu., Pitjeva E.V., Sveshnikov M.L., 1986. Relativistic effects from planetary and lunar observations of the XVIII-XX centuries. - IAU Symp. N 114 / Relativity in celestial mechanics and astrometry (eds. J. Kovalevsky, V.A. Brumberg), D.Reidel Publ.Com., Dordrecht, 315-328.
8. Алешкина Е.Ю., Красинский Г.А., Питьева Е.В., Свешников М.Л., 1987. Экспериментальная проверка релятивистских эффектов и оценка величины изменения гравитационной постоянной по наблюдениям внутренних планет и Луны. - Успехи физических наук, 15, N 4, 720-724.
9. Питьева Е.В., 1992. Экспериментальная проверка релятивистских эффектов, оценка величины изменения гравитационной постоянной и топография поверхности Меркурия из радиолокационных наблюдений 1964-1989. - Препринт ИПА РАН, 39, 15 с.
10. Krasinsky G.A., Pitjeva E.V., Sveshnikov M.L., Chunajeva L.I., 1993. The motion of major planets from observations 1769-1988 and some astronomical constants. - Celest. Mech., 55, 1-23.
11. Pitjeva E.V., 1993. Experimental testing of relativistic effects, variability of the gravitational constant and topography of Mercury surface from radar observations 1964-1989. - Celest. Mech., 55, 313-321.
12. Питьева Е.В., 1995. Использование радарных данных космических аппаратов и радиолокационных наблюдений для уточнения элементов планет и параметров вращения Марса. - Сообщения ИПА РАН, 80, 16 с.
16
13. Pitjeva E.V., 1996. Using spacecraft range data and radar observations for the improvement of the orbital elements of planets and parameters of Mars rotation. - IAU Symp. 172 / Dynamics, ephemerides and astrom-etry of the solar system (eds. S. Ferraz-Mello, B. Morando, J.E. Arlot), Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 45-48.
14. Pitjeva E.V., 1996. Using range observations of soasecraft Viking-1, Viking-2, Mariner-9 for the improvement of orbital elements of planets and parameters of Mars rotation. - Third international workshop on position astronomy and celestial mechanics (eds. G.A Lopez, E.I. Yagudina, U.M. Martinez and B.A. Condero), Valencia, 583-589.
15. Pitjeva E.V., 1997. The ephemerides of inner planets from spacecraft range data and radar observation 1961-1995. - IAU Coll. N 165 / Dynamics and Astrometry of Natural and Artificial Celestial Bodies (eds. I.M. Wytrzyszczak, J.H. Lieske, R.A. Feldman), Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 251-256.
16. Питьева Е.В., 1997. Уточнение эфемерид больших планет и оценка величины векового изменения гравитационной постоянной по радарным наблюдениям космических аппаратов и планет 1961-1995 гг. - Труды ИПА РАН, вып. 1, "Астрометрия и геодинамика", 249-261.
17. Питьева Е.В., 1998. Новая численная теория движения планет ЕРМ98 и ее сравнение с эфемеридой DE403 Лаборатории реактивного движения США. - Труды ИПА РАН, вып. 3, "Астрометрия и геодинамика", 5-23.
18. Питьева Е.В., 1999. Изучение динамики Марса из анализа наблюдений посадочных аппаратов Viking и Pathfinder. - Труды ИПА РАН, вып. 4 "Астрометрия, геодинамика и небесная механика", 22-35.
19. Питьева Е.В., 2000. Прогресс в определении некоторых астрономических постоянных из радарных наблюдений планет и косми-
17 |
