Haben die Mars-Rover tatsächlich die Schwerkraft des Mars bestätigt?

Die „Schwerkraft des Mars“ ist keine Zahl, sondern ein komplexes Feld. Die jüngste ist bemerkenswert detailliert und besteht aus dem Grad der sphärischen Harmonischen und der Ordnung 120 , beschrieben durch 29.512 Koeffizienten :

Diese Karten werden mit Orbitern (in diesem Fall drei Orbitern) erstellt, nicht mit Landern. Ein Lander/Rover kann nur eine lokale Gravitationsbeschleunigung und -richtung angeben, was niemals ein Lehrbuchwert sein wird.

Die Daten des Orbiters zeigen auch, wie sich das Gravitationsfeld mit der Zeit verändert, wenn sich Masse zwischen der Atmosphäre und den Eisablagerungen an den Polen bewegt.

Also, nein, die Mars-Rover können wenig tun, um die Schwerkraft des Mars zu „bestätigen“. Es sei denn, Sie wollen nur überprüfen, ob es irgendwo in der Nähe ist$3.7\,\mathrm{m/s^2}$. Unsere Mars - Orbiter haben die Gravitation des Mars „bestätigt“ oder wirklich gemessen, mit sehr hoher Genauigkeit, weit über der schwachen Kraft unserer Rover, etwas hinzuzufügen oder abzuschwächen.

Hat der Rover tatsächlich einen Test durchgeführt, um zu bestätigen, dass die theoretische Schwerkraft wirklich der tatsächlich gemessenen Schwerkraft entspricht?

Zunächst einmal, was wäre der Sinn?

Zweitens taten sie das natürlich, aber nicht, um diesen Test durchzuführen. Die Mars-Rover waren/sind autonom. Sie mussten ohne fremde Hilfe wissen, wo sie waren. Dazu sind Mars-Rover mit Inertial Measurement Units (IMUs) ausgestattet. Eine der Schlüsselkomponenten einer IMU ist ein Beschleunigungsmesser.

In Zeiten, in denen ein Rover stationär war, „misste“ der Beschleunigungsmesser die ^Schwerkraft . Diese Frage fragt nach dem langweiligen Teil dieser Lesart, der Größe dieses Vektors. Der wichtige Teil dieser stationären Messwerte war die Richtung der gemessenen Beschleunigung. Abgesehen von der Abweichung der Vertikalen lieferten diese stationären Messungen einen Hinweis auf die Ausrichtung des Rovers ² .

Die Beschleunigungsmesser wurden auch verwendet, während die Rover in Bewegung waren. Die Integration der erfassten Beschleunigung, weniger Schwerkraft, ist ein entscheidender Teil der Trägheitsnavigation. Siehe zum Beispiel Lage- und Positionsschätzung auf den Mars Exploration Rovers .

¹ Ich habe „gemessen“ in Anführungszeichen gesetzt, weil man die Schwerkraft nicht direkt „messen“ kann. Dies ist eine der Konsequenzen aus Einsteins Äquivalenzprinzip.

² Die Ablenkung der Vertikalen auf dem Mars kann nach irdischen Maßstäben enorm sein (0,3 Grad nahe der Spitze des Olympus Mons). Aber selbst dieser extreme Wert ist ziemlich klein, und der Wert auf Gelände, das von einem Rover befahren werden kann, ist winzig. Die Ablenkung der Vertikalen konnte getrost ignoriert werden.

Haben die Mars-Rover tatsächlich die Schwerkraft des Mars bestätigt?

Ja, es hat (endlich, yay!)

tl; dr: Soweit ich das beurteilen kann, stellen die Daten hier Ground-Truth-Beschleunigungsmessungen von der Oberfläche dar, die nicht die in dieser Antwort beschriebenen superfarbigen (genauen) weltraumgestützten Messungen der gravitativen sphärischen Harmonischen verwenden , nicht einmal zur Kalibrierung. Daher denke ich, dass dies eine unabhängige Bestätigung der Stärke der Schwerkraft des Mars auf der Oberfläche ist.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern (wie in diesem Kommentar darauf hingewiesen wird, dass Zentrifugaleffekte aufgrund der Rotation des Mars auch in den Daten des Beschleunigungsmessers auftauchen werden). (unten), aber mit$GM$= 4,282837E+13 m^3/s^2 und$R_0$= 3396200 Meter und die Höhe des Standorts von Curiosity in der Nähe des Bodens des Kraters Gale von etwa -4500 Metern, sollte die Beschleunigung allein aufgrund der Schwerkraft etwa 3,723 m/s ² betragen . Zentrifugaleffekte sollten in der Größenordnung von -0,014 m/s ² liegen , sodass die Beschleunigungsmesser etwa 3,709 m/s ² anzeigen sollten . Das Problem ist, dass die folgenden Zahlen auf halbem Weg zwischen 3,723 und 3,709 liegen, also muss die Lösung warten.

Wie in @DavidHammens Antwort und Kommentaren darauf hingewiesen, hat Neugier mindestens einen betriebsbereiten 3-Achsen-Satz von Beschleunigungsmessern. Der Hauptzweck besteht darin, die Richtung der lokalen Gravitationsvertikale in Bezug auf den Rahmen des Rovers zu messen.

Dies wird bei der Navigation verwendet, insbesondere beim Roving auf einer erheblichen Steigung, um ein Überschlagen zu verhindern, und wahrscheinlich in der Mathematik, um Bilder von den verschiedenen Kameras mit dem lokalen Gelände zu verbinden.

Es wird auch verwendet, um die High-Gain-Antenne von Curiosity direkt auf die Erde zu richten, wenn sie gelegentlich nach Hause telefoniert, ohne sich über Satelliten im Marsorbit zu verbinden / weiterzuleiten.

• Woher weiß Curiosity, wie man seine High-Gain-Antenne in Echtzeit ausrichtet und bewegt?
• Hat der Rover Curiosity jemals über seine Hochleistungsantenne direkt mit der Erde kommuniziert? Signalstärke & Datenrate?

Die Wissenschaftler von Gizmodo enthüllen die Natur des Marsbergs mithilfe einer ausgeklügelten Technik mit Curiosity Rover sagt:

Wissenschaftler, die mit dem Curiosity-Rover arbeiteten, verwendeten ein Teil seiner Navigationsausrüstung – einen Beschleunigungsmesser wie den in Ihrem Mobiltelefon –, um eine wichtige Messung über die mysteriöse Geologie des Mars durchzuführen.

Curiosity streift derzeit um den Mount Sharp herum, einen 5 Kilometer hohen Berg im Zentrum des Gale-Kraters. Aber es ist unklar, ob der Berg das Ergebnis davon ist, dass der Krater einmal aufgefüllt wurde und Materie durch Erosion verloren hat, oder ob der Berg eher wie eine große Düne aus abgelagertem Material ist. Curiosity besitzt kein wissenschaftliches Instrument, um die Natur des Berges zu bestimmen – aber es hat kraftmessende Navigationsgeräte. Also wurden die Wissenschaftler kreativ.

„Mir wurde klar, dass Sie eine App auf Ihr Telefon herunterladen können und zwar nicht mit großer Genauigkeit, aber Sie können [die Erdanziehungskraft] messen, weil Ihr Telefon Beschleunigungsmesser hat“, sagte der Hauptautor der Studie, Kevin Lewis, Assistenzprofessor an der Johns Hopkins University. sagte Gizmodo. Er dachte, er könnte dasselbe mit den Beschleunigungsmessern von Curiosity machen und interessante wissenschaftliche Arbeiten durchführen.

Gravimetrie oder die genaue Messung von Änderungen im lokalen Gravitationsfeld ist eine nützliche Methode, um das Gestein unter der Oberfläche zu verstehen, da die Schwerkraft eines Objekts mit seiner Masse zunimmt. Apollo 17 hatte zum Beispiel ein Gravimetrie-Experiment, um den Mond zu untersuchen – aber Curiosity hat kein Gravimeter. Es verfügt jedoch über ein Navigationssystem, das Gyroskope und einen Beschleunigungsmesser zur Messung von Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Orientierungsänderungen umfasst.

Das Navigationssystem ist nicht ganz so empfindlich wie ein Gravimeter, aber die Wissenschaftler kamen damit zurecht. Sie erfassten die Daten über die vom Rover erfahrenen Beschleunigungen und passten sie dann an, um Dinge wie die Position von Curiosity auf dem Mars sowie mögliche Auswirkungen von Temperatur und Höhe auf die Ausrüstung zu berücksichtigen.

Die Beschleunigungsmesser wurden ursprünglich möglicherweise nicht für diese Art von Messung entwickelt. Sie waren wahrscheinlich gut kalibriert, weil die NASA nicht herumalbert ( außer vielleicht hier mit den violetten Lasern mit lausigen/zufälligen Strahlprofilen ).

Es ist eine Herausforderung, Beschleunigungsmesser bei Werten unter 1 g perfekt zu kalibrieren. Sie können sie drehen, um sie zu verwenden$\cos(\theta)$aber unvollkommene Geräte können seitliche Beschleunigungen nicht immer perfekt unterdrücken. Siehe die (derzeit unbeantwortete) Frage Wie wurde der vertikale Seismometer (Beschleunigungsmesser) von InSight in der stärkeren Schwerkraft der Erde getestet? von KW Lewis, SF Peters, KA Gonter und dem MSL-Wissenschaftsteam.

Über die ersten Ergebnisse können Sie im Konferenzpapier First Gravity Traverse on the Martian Surface from the Curiosity Rover der 47th Lunar and Planetary Science Conference (2016) lesen .

Es gibt ein (möglicherweise) detaillierteres Papier, das heute in Science A veröffentlicht wurde. Eine Oberflächengravitationsdurchquerung auf dem Mars weist auf eine geringe Grundgesteinsdichte am Gale-Krater mit einigen wichtigen Ergebnissen hin, aber leider müssen wir, obwohl die Mission und der Forscher größtenteils vom Steuerzahler finanziert werden, erneut dafür bezahlen Lese darüber. (zB Paywall).

Aus dem Konferenzpapier 2016:

Die Daten des RIMU-Beschleunigungsmessers sind in erster Linie zur Bestimmung der Roll- und Nickbewegungen des Rovers aus den relativen Größen der drei Achsen unter der statischen Beschleunigung g des Gravitationsfeldes des Mars bestimmt. Die relative Größe von g ändert sich jedoch sowohl mit der Position (resultierend aus Schwankungen der Dichte unter der Oberfläche) als auch mit der Höhe, was mit ausreichender Genauigkeit nachweisbar sein könnte. Obwohl die Rohdaten des Beschleunigungsmessers vom Rover nicht ausreichend empfindlich sind, haben wir eine Reihe von Kalibrierungsverfahren entwickelt, um hauptsächlich 1) Temperaturempfindlichkeitseffekte und 2) leichte Abweichungen zwischen den drei Beschleunigungsmessern zu berücksichtigen, wenn der Rover nicht horizontal ist. Ähnliche Korrekturverfahren wurden erfolgreich für IMU-Daten in Navigationsqualität in terrestrischen Gravimetrie-Experimenten in der Luft demonstriert(4).

Abbildung 1 zeigt die Varianzreduktion im Zusammenhang mit den drei größten Korrekturen des RIMU-Datensatzes. Eine zusätzliche Korrektur wird angewendet, um einen sinusförmigen saisonalen Trend zu entfernen, der wahrscheinlich aus einer längerfristigen Temperaturhysterese resultiert. Nach Anwendung dieser Korrekturen können wir eine relative Genauigkeit von etwa 10 mGal (10-4 m/s ² ) erreichen. Obwohl dies nach modernen terrestrischen gravimetrischen Standards grob ist, entspricht dies in etwa der Empfindlichkeit, die für das Traversengravimeter von Apollo 17 angegeben wurde.

Abbildung 2 – Bestimmung des Zusammenhangs zwischen Erdbeschleunigung und Elevation. a) Rover-Höhendaten als Funktion von Sol. b) Kalibrierte Gravitationsmessungen als Funktion der Sonnenlänge (Ls). Höhendaten werden über ein Marsjahr angepasst, um saisonale Trends zu vermeiden. Der Abfall von g, als Curiosity den Mount Sharp bestiegen hat, lässt sich am einfachsten durch eine geringe unterirdische Dichte für Mount Sharp erklären (beste Anpassung – 1600 kg/m ² ).

unten: "Messungen der Schwerkraft von Mount Sharp mit Curiosity-Daten. Grafik: Kevin Lewis" von Gizmodo