Аномалия пролета

Необъяснимая наблюдаемая чрезмерная энергия во время пролетов космических аппаратов мимо Земли

Нерешенная задача по физике :

Что является причиной неожиданного изменения ускорения при пролете космических аппаратов?

(еще нерешенные проблемы по физике)

Аномалия пролета — это несоответствие между текущими научными моделями и фактическим увеличением скорости (т. е. увеличением кинетической энергии ), наблюдаемым во время пролета планет (обычно Земли) космическим аппаратом. Во многих случаях наблюдалось, что космические аппараты набирали большую скорость, чем предсказывали ученые, но до сих пор не было найдено убедительного объяснения. Эта аномалия наблюдалась как сдвиги в S-диапазоне и X-диапазоне доплеровской и дальномерной телеметрии . Наибольшее расхождение, замеченное во время пролета, было крошечным, 13,46 мм/с. ^[1]

Наблюдения

Гравитационные маневры являются ценными методами исследования Солнечной системы . Поскольку успех таких маневров пролета зависит от точной геометрии траектории , положение и скорость космического корабля во время его встречи с планетой постоянно отслеживаются с большой точностью с помощью земной телеметрии, например, через Deep Space Network (DSN).

Остаточные данные о дальности полета NEAR во время пролета Земли

Во время пролета MESSENGER не обнаружил никаких аномалий.

Аномалия пролета была впервые замечена во время тщательного изучения данных доплеровского сканирования DSN вскоре после пролета Земли космическим аппаратом Galileo 8 декабря 1990 года. Хотя ожидалось, что остатки доплеровского сдвига (наблюдаемые за вычетом вычисленных данных) останутся плоскими, анализ выявил неожиданный сдвиг на 66  мГц , что соответствует увеличению скорости на 3,92 мм/с в перигее . Исследования этого эффекта в Лаборатории реактивного движения (JPL), Центре космических полетов имени Годдарда (GSFC) и Техасском университете не дали удовлетворительного объяснения.

Никакой подобной аномалии не было обнаружено после второго пролета Земли Галилео в декабре 1992 года, когда измеренное уменьшение скорости совпало с ожидаемым из-за сопротивления атмосферы на более низкой высоте 303 км. Однако оценки сопротивления имели большие погрешности, и поэтому аномальное ускорение нельзя было исключить. ^[2]

23 января 1998 года космический аппарат Near Earth Asteroid Rendezvous ( NEAR ) испытал аномальное увеличение скорости на 13,46 мм/с после встречи с Землей. Cassini-Huygens увеличил скорость примерно на 0,11 мм/с в августе 1999 года, а Rosetta увеличила ее на 1,82 мм/с после пролета мимо Земли в марте 2005 года.

Анализ космического аппарата MESSENGER (изучающего Меркурий ) не выявил никакого значительного неожиданного увеличения скорости. Это может быть связано с тем, что MESSENGER как приближался, так и отдалялся от Земли симметрично относительно экватора (см. данные и предложенное уравнение ниже). Это говорит о том, что аномалия может быть связана с вращением Земли.

В ноябре 2009 года космический аппарат Rosetta Европейского космического агентства внимательно отслеживался во время пролета с целью точного измерения его скорости в попытке собрать дополнительные данные об аномалии, однако никаких существенных аномалий обнаружено не было. ^{[3] [4]}

Пролет Юноны в 2013 году по пути к Юпитеру не выявил аномального ускорения. ^[5]

В 2018 году тщательный анализ траектории предполагаемого межзвездного астероида ʻOumuamua выявил небольшое превышение скорости при его удалении от Солнца. Первоначальные предположения предполагали, что аномалия была вызвана выделением газа, хотя ничего не было обнаружено. ^[6]

Сводка некоторых космических аппаратов, пролетающих мимо Земли, представлена ​​в таблице ниже. ^{[3] [7]}

Эмпирическое отношение Андерсона

Эмпирическое уравнение для аномального изменения скорости пролета было предложено в 2008 году Дж. Д. Андерсоном и др.: ^[12]

$${\displaystyle {\frac {dV}{V}}={\frac {2\omega _{\text{E}}R_{\text{E}}(\cos \varphi _{\text{i}}-\cos \varphi _{\text{o}})}{c}},}$$

где ω _E — угловая частота Земли, R _E — радиус Земли, а φ _i и φ _o — входящий и исходящий экваториальные углы космического корабля. Эта формула была позже выведена Жаном Полем Мбелеком из специальной теории относительности, что привело к одному из возможных объяснений эффекта. ^[13] Однако это не учитывает остатки SSN — см. «Возможные объяснения» ниже.

Возможные объяснения

Было предложено несколько объяснений аномалии пролета, в том числе:

• Постулируемое следствие предположения, что скорость света изотропна во всех системах отсчета и инвариантна в методе, используемом для измерения скорости космических зондов с помощью эффекта Доплера. ^[14] Непоследовательные аномальные измеренные значения: положительные, нулевые или отрицательные, просто объясняются ослаблением этого предположения. Во время пролетных маневров компоненты скорости зонда в направлении наблюдателя V _o выводятся из относительного смещения d f радиочастоты f, передаваемой зондом, умноженной на локальную скорость света c ′ с помощью эффекта Доплера: V _o = (d f / f ) c ′ . Согласно гипотезе Сеспедеса-Кюре ^[15] движение через поля переменной плотности гравитационной энергии приводит к небольшим изменениям показателя преломления n ′ пространства и, следовательно, скорости света c ′ , что приводит к неучтенным поправкам доплеровских данных, которые основаны на инварианте c . Это приводит к неверным оценкам изменения скорости или энергии при пролете в системе отсчета Земли.
• Неучтенный поперечный эффект Доплера — т.е. красное смещение источника света с нулевой радиальной и ненулевой тангенциальной скоростью. ^[13] Однако это не может объяснить аналогичную аномалию в данных дальномерности.
• Гало темной материи вокруг Земли. ^[16]
• Также было исследовано влияние общей теории относительности в ее слабополевой и линеаризованной форме, приводящей к гравитомагнитным явлениям, таким как увлечение системы отсчета : ^[17] оказалось, что она не способна объяснить аномалию пролета.
• Классическое объяснение замедленной во времени гравитации, предложенное Джозефом К. Хафеле . ^[18]

  

  Остаточные данные по дальности SSN для пролета NEAR с дальностью и задержкой

• Пропорциональная дальности избыточная задержка телеметрического сигнала, выявленная данными дальности сети космического наблюдения США в ходе пролета NEAR. ^[19] Эта задержка, учитывающая аномалию как в доплеровских, так и в дальности данных, а также замыкающие доплеровские колебания, в пределах 10–20% указывает на чирп-режимы в приеме из-за скорости Доплера, предсказывая положительную аномалию только тогда, когда отслеживание DSN прерывается около перигея, и нулевую или отрицательную аномалию, если отслеживается непрерывно. Никакой аномалии не должно быть в доплеровском отслеживании станциями, не являющимися DSN. ^[20]
• Действие топологического торсионного тока, предсказывающее аномалии пролета в ретроградном направлении, но не дающее эффекта, когда космический корабль приближается к планете в прямом направлении по отношению к планетарному направлению вращения. ^[21]
• Анализ пролета Juno рассматривал ошибки анализа, которые могли потенциально имитировать аномалию пролета. Они обнаружили, что для точных прогнозов пролета требовалось высокоточное гравитационное поле с коэффициентами не менее 50×50. Использование гравитационного поля с более низкой точностью (например, модели с коэффициентами 10×10, достаточными для анализа запуска) дало бы ошибку скорости 4,5 мм/с. ^[5]

Сопутствующие исследования

Некоторые миссии, предназначенные для изучения гравитации, такие как MICROSCOPE и STEP , предназначены для проведения чрезвычайно точных измерений гравитации и могут пролить свет на аномалию. ^[22] Однако MICROSCOPE завершил свою миссию, не обнаружив ничего аномального, ^[23] а STEP еще не летал.

Смотрите также

• Список нерешенных проблем по физике
• Модифицированная ньютоновская динамика
• Аномалия пионера

Ссылки

1. "Космический аппарат Rosetta ЕКА может помочь раскрыть космическую тайну". Европейское космическое агентство. 12 ноября 2009 г. Получено 11 августа 2024 г.
2. Эдвардс, К.; Андерсон, Дж.; Бейер, П.; Бхаскаран, С.; Бордерс, Дж.; Динардо, С.; Фолкнер, У.; Хоу, Р.; Нанди, С.; Николсон, Ф.; Оттенхофф, К.; Стивенс, С. (1993-08-16). Отслеживание Галилео в перигее Земли-2 с использованием спутниковой системы слежения и ретрансляции данных (PDF) (Отчет). CiteSeerX 10.1.1.38.4256 . hdl :2014/34792. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-04-18. {{cite report}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ). Два метода [измерения] дали схожие соответствия данным. В пределах погрешности в восемь процентов оба метода дали уменьшение скорости вдоль траектории на −5,9 ± 0,2 мм/с. Априорные прогнозы для изменения скорости, вызванного сопротивлением, основанные на модели Джаккиа–Робертса, составили −6,2 ± 4,0 мм/с [5], что явно согласуется с наблюдаемым изменением скорости. Напротив, данные DSN от пролета Земли в декабре 1990 года на высоте 956 км указали на необъяснимое увеличение скорости вдоль траектории на 4 мм/с после учета гораздо меньших эффектов сопротивления. Учитывая неопределенность в моделях сопротивления, мы не можем окончательно исключить возможность того, что подобное увеличение произошло на Земле 2. Например, немоделированное увеличение на 4 мм/с и уменьшение сопротивления на −10 мм/с были бы совместимы с нашими результатами и нашей априорной атмосферной моделью. Однако значительно большее аномальное увеличение скорости, по-видимому, не соответствует модели сопротивления.
3. "Тайна остается: Rosetta не может наблюдать аномалию swingby". ESA. Архивировано из оригинала 2009-12-23.
4. J. Biele (2012). "Навигация межпланетных космических аппаратов Rosetta и Philae и определение гравитационного поля комет и астероидов - (DLR) @ TU München, 2012" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29-11-2014 . Получено 18-11-2014 .
5. Томпсон, Пол Ф.; Мэтью Абрахамсон; Шадан Ардалан; Джон Борди (2014). Реконструкция облёта Земли космическим кораблем Юнона. 24-е совещание AAS/AIAA по механике космических полетов. Санта-Фе, Нью-Мексико: AAS. стр. 14–435.
6. Является ли межзвездный астероид на самом деле кометой?
7. Андерсон, Джон Д.; Джеймс К. Кэмпбелл; Майкл Мартин Нието (июль 2007 г.), «Процесс передачи энергии при пролете планет», Новая астрономия , 12 (5): 383–397, arXiv : astro-ph/0608087 , Bibcode : 2007NewA...12..383A, doi : 10.1016/j.newast.2006.11.004, S2CID  15913052
8. Стивен Кларк (22 сентября 2017 г.). «Миссия OSIRIS-REx к астероиду получает гравитационное ускорение от планеты Земля». Spaceflight Now.
9. "ПРОЛЕТ ЗЕМЛИ БЕПИКОЛОМБО".
10. КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ НАСА «ЮНОНА» ВЕРНУЛ ПЕРВЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ЗЕМЛИ ВО ВРЕМЯ ПУТИ К ЮПИТЕРУ
11. Результат пролета Земли мимо Hayabusa2
12. Андерсон и др. (7 марта 2008 г.). "Аномальные изменения орбитальной энергии, наблюдаемые во время пролетов космических аппаратов у Земли" (PDF) . Physical Review Letters . 100 (9): 091102. Bibcode :2008PhRvL.100i1102A. doi :10.1103/physrevlett.100.091102. PMID  18352689. Архивировано из оригинала (PDF) 4 июня 2016 г. . Получено 15 февраля 2011 г. .
13. Mbelek, JP (2009). «Специальная теория относительности может объяснить аномалии пролета космических аппаратов». arXiv : 0809.1888 [qr-qc].
14. Гривз, Эдуардо Д.; Брачо, Карлос; Микосс, Имре (2020). «Решение загадки аномалии пролёта». Прогресс в физике . 16 (1): 49.
15. Сеспедес-Кюре, Хорхе (2002). Эйнштейн на суде или метафизические принципы натуральной философии (1-е изд.). Венесуэла: et al. Организация. ISBN 0-9713873-0-3.
16. Адлер, СЛ (2009), «Может ли аномалия пролета быть приписана связанной с Землей темной материи?», Physical Review D , 79 (2): 023505, arXiv : 0805.2895 , Bibcode : 2009PhRvD..79b3505A, doi : 10.1103/PhysRevD.79.023505, S2CID  13152802
17. Иорио, Л. (2009). «Влияние общей теории относительности на гиперболические орбиты и ее применение к аномалии пролета». Scholarly Research Exchange . 2009 : 7695. arXiv : 0811.3924 . Bibcode : 2009ScReE2009.7695I. doi : 10.3814/2009/807695 .
18. Хафеле, Джозеф К. (апрель 2013 г.). «Причинная версия ньютоновской теории с помощью замедления во времени гравитационного поля объясняет аномалии пролета» (PDF) . Прогресс в физике . 2 (2): 3. Bibcode :2013PrPh....9b...3H. ISSN  1555-5534.
19. Антреасян, Питер Г.; Гуинн, Джозеф Р. (1998-08-10). Исследования неожиданного увеличения дельта-V во время гравитационного маневра Земли аппаратами GALILEO и NEAR (PDF) . Конференция и выставка специалистов по астродинамике AIAA/AAS. Бостон, Массачусетс: AIAA. CiteSeerX 10.1.1.613.5871 . hdl :2014/20322. AIAA 98-4287. Архивировано (PDF) из оригинала 19.01.2022 . Получено 06.05.2017 . 
20. Guruprasad, V. (2015). "Наблюдательные данные для режимов бегущей волны, несущих сдвиги, пропорциональные расстоянию". EPL . 110 (5): 54001. arXiv : 1507.08222 . Bibcode : 2015EL....11054001G. doi : 10.1209/0295-5075/110/54001. S2CID  42285652.
21. Пинейро, Марио Дж. (2016). «Некоторые эффекты топологических торсионных токов на динамику космических аппаратов и аномалию пролета». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 461 (4): 3948–3953. arXiv : 1606.00691 . Bibcode : 2016MNRAS.461.3948P. doi : 10.1093/mnras/stw1581.{{cite journal}}: CS1 maint: неотмеченный бесплатный DOI ( ссылка )
22. Парамос, Хорхе; Хеченблейкнер, Г. (2013). «Исследование аномалии пролёта с помощью будущей миссии STE-QUEST». Planetary and Space Science . 79–80: 76–81. arXiv : 1210.7333 . Bibcode :2013P&SS...79...76P. doi :10.1016/j.pss.2013.02.005. ISSN  0032-0633. S2CID  119287334.
23. Тубул, П.; Метрис, Ж.; Родригес, М.; Берже, Ж.; Роберт, А.; Баги, К.; и др. (2022). «Миссия МИКРОСКОПА: окончательные результаты проверки принципа эквивалентности». Physical Review Letters . 129 (12): 121102. arXiv : 2209.15487 . Bibcode : 2022PhRvL.129l1102T. doi : 10.1103/PhysRevLett.129.121102. PMID  36179190. S2CID  252468544.

Литература

• JD Anderson; JG Williams (2001), "Проверки принципа эквивалентности на больших расстояниях", Class. Quantum Grav. , 18 (13): 2447–2456, Bibcode : 2001CQGra..18.2447A, doi : 10.1088/0264-9381/18/13/307, S2CID  250861959.
• C. Lämmerzahl; O. Preuss; H. Dittus (2006), «Действительно ли понята физика в Солнечной системе?», Труды 359-го семинара WE-Heraeus «Лазеры, часы и отсутствие сопротивления: технологии для будущих исследований в космосе и испытаний гравитации» , arXiv : gr-qc/0604052 , Bibcode : 2006gr.qc.....4052L.
• JD Anderson; JK Campbell; MM Nieto (2007), «Процесс передачи энергии при пролете планет», New Astronomy , 12 (5): 383–397, arXiv : astro-ph/0608087 , Bibcode : 2007NewA...12..383A, doi : 10.1016/j.newast.2006.11.004, S2CID  15913052.
• НАСА озадачено необъяснимой силой, действующей на космические зонды (2008), на Space.com .
• JD Anderson; JK Campbell; JE Ekelund; J. Ellis; JF Jordan (2008), "Аномальные изменения орбитальной энергии, наблюдаемые во время пролетов космических аппаратов у Земли" (PDF) , Phys. Rev. Lett. , 100 (91102): 091102, Bibcode :2008PhRvL.100i1102A, doi :10.1103/PhysRevLett.100.091102, PMID  18352689, архивировано из оригинала (PDF) 2008-10-16.
• Требуется: Эйнштейн-младший (2008), на Economist.com.
• К. Свозил (2007). «Микрофизические аналоги аномалий пролёта». Новая астрономия . 12 (5): 383–397. arXiv : 0804.2198 . Bibcode : 2007NewA...12..383A. doi : 10.1016/j.newast.2006.11.004. S2CID  15913052.

Внешние ссылки

• Лэммерцаль, Клаус (2008). «Аномалия пионера или действительно ли мы понимаем физику Солнечной системы?» (pdf; 6,25 МБ, доклад/слайды) . Центр прикладных космических технологий и микрогравитации . Бременский университет. стр. 123.
• Асте, Андреас (2008). "Spacecraft Anomalies: An Update" (PDF) . Физический факультет . Базельский университет. стр. 29. Архивировано из оригинала (pdf; 9,8 МБ, обсуждение/слайды) 2016-11-07 . Получено 2009-10-01 .