Wie ermittelt die NASA Umlaufzeiten und Massendaten für Planeten und andere Himmelskörper?

Ich mache eine kleine Ausnahme von @JamesKs Antwort darauf, was die NASA tut und was nicht. Das Jet Propulsion Laboratory ist Teil der NASA und einer der vielen unschätzbaren Beiträge, die sie zur Raumfahrt geleistet haben, sind die Entwicklungs-Ephemeriden des JPL .

Werfen Sie einen Blick auf die neueste Veröffentlichung in The JPL Planetary and Lunar Ephemerides DE440 und DE441 . Was hier getan wird, ist eine Sammlung aller möglichen Daten, sowohl von der NASA und anderen Raumfahrzeugen der Weltraumbehörde als auch von der NASA und anderen Beobachtungen, einschließlich solcher mit Teleskopen, von denen einige für die NASA gebaut wurden und andere nicht, und Laser-Ranging des Mondes und Radar-Ranging von anderen Himmelskörpern wie Planeten und Asteroiden, wieder einige mit NASA-Radaren und einige mit anderen Radaren.

Siehe zum Beispiel:

5. Beobachtungsdaten zur Berechnung von DE440 und DE441

Die Beobachtungen, die zur Berechnung von DE440 und DE441 verwendet wurden, sind in den Tabellen 3–5 für jeden Körper zusammengefasst.

Besonders in Tabelle 3 sieht man viele Deep-Space-Raumfahrzeuge. Wenn sie Vorbeiflüge an Planeten und Asteroiden durchführen, werden ihre genauen Positionen und Geschwindigkeiten durch Verzögerungs-Doppler-Messungen mit ihren kohärenten Transpondern an Bord genau überwacht; Die Erde sendet ein Signal mit einem codierten Goldcode (analog zu dem, was in einem GPS-Signal enthalten ist) und das Raumschiff nimmt es auf, verstärkt es und sendet dasselbe Signal direkt zurück zur Erde. Indem sie das ausgehende und das zurückkehrende Signal mathematisch korrelieren, können sie die Entfernungen zum Raumfahrzeug mit einer Genauigkeit von mehreren zehn Metern über Hunderte von Millionen Kilometern und Geschwindigkeiten mit einer Genauigkeit von Millimetern pro Sekunde messen. Eine der größten Unsicherheiten sind tatsächlich die Auswirkungen des Signals, das aufgrund der Wechselwirkung mit Wasser und Elektronen in der Ionosphäre zweimal durch die Erdatmosphäre geht.

Dann führen sie viele, viele Simulationen durch, um all diese Daten anzupassen, und extrahieren sehr genaue Standard-Gravitationsparameter (dh die Masse eines Objekts multipliziert mit der Gravitationskonstante).$G$da es wirklich schwierig ist, das eine zu messen und das andere nicht) sowie möglichst genaue und vorhersagende Modelle der Umlaufbahnen und Flugbahnen von so vielen Körpern des Sonnensystems wie möglich.

Wir müssen uns daran erinnern, dass die Schwerkraft eine praktisch unendliche Reichweite hat, also beeinflusst alles alles. Das bedeutet Folgendes:

• Sie brauchen ein sehr gutes Computerprogramm und viele, viele Daten, um zu verstehen, was passiert
• in Wirklichkeit gibt es keine genauen Perioden, die große Halbachse einer Umlaufbahn ist nicht einmal über eine Umlaufbahn konstant, und keine Umlaufbahn ist von vornherein wirklich exakt keplersch.

Keplersche Umlaufbahnen sind großartige Ausgangspunkte für das Verständnis der Bewegung des Sonnensystems, aber sie sind nicht "richtig". Ja, die NASA gibt Perioden in ihren planetarischen Datenblättern an, und diese sind ziemlich nah dran, aber wenn Sie wirklich genau wissen wollen, wo sich ein Objekt befinden wird, benötigen Sie eine detaillierte Ephemeride, die auf diese Weise unter Verwendung aller verfügbaren Daten berechnet wird.

Soweit Massen oder Standard-Gravitationsparameter betroffen sind, stammen diese aus mehreren Hauptquellen.

Bei Planeten stammen sie ursprünglich aus historischen Beobachtungen von Satellitenpositionen im Laufe der Zeit. Da die Satelliten so viel weniger massiv sind als die Planeten, die sie umkreisen (im Gegensatz zu unserem System), können ihre Positionen und Perioden verwendet werden, um die Standard-Gravitationsparameter zu berechnen.

Nachdem die Astronomen gelernt hatten, die Auswirkungen der Störungen des Planeten aufeinander zu modellieren, konnten sie dies weiter verfeinern.

Interessanterweise wurden die Massen einiger Asteroiden durch ihre winzigen Störungen auf den Umlaufbahnen der anderen bestimmt!

Aber der große Durchbruch kam, als Raumfahrzeuge an Planeten vorbeiflogen, wie oben und in Tabelle 3 des verlinkten JPL-Papiers erwähnt.

Ja, die NASA verwendet tatsächlich Keplers 3. Gesetz, um die Umlaufzeiten von Planeten und anderen Objekten im Sonnensystem zu berechnen. Wenn Sie auf die Horizons-Website der NASA gehenund Orbitaldaten für einen Planeten im Format 'Osculating Orbital Elements' erzeugen, stellen Sie fest, dass die Umlaufzeiten (PR) von der großen Halbachse (A) über das 3. Keplersche Gesetz berechnet wurden (da die Daten damit konsistent sind). die letzte gedruckte Ziffer). Wie Sie auch sehen können, sind diese Werte zeitlich nicht streng konstant, sondern weisen leichte Schwankungen auf, da die Bewegung des Sonnenplaneten durch andere Objekte gestört wird. Die klassischen Kepler-Elemente sind daher nur als momentane Näherung zu einem bestimmten Zeitpunkt anwendbar. Sie werden erhalten, indem der sogenannte "Zustandsvektor" (die gemessenen kartesischen Positions- und Geschwindigkeitsvektoren zu einem bestimmten Zeitpunkt) in eine Kepler-Umlaufbahn umgewandelt wird, die die Messungen des Objekts in diesem Moment reproduzieren würde.

Alle Daten (einschließlich der Massen) werden hiermit aus zahlreichen verschiedenen Beobachtungen (optische RA/DEC-Winkel, VLBI, Mondlaser-Entfernungsmessung, Radarverzögerung und Doppler, Okkultations-/Transit-Timing und Raumfahrzeug-In-situ-Verfolgung) über eine Anpassung der kleinsten Quadrate erhalten . Dies geschieht jedoch alles in der „Zustandsvektor“-Darstellung der Bahnen (dh unter Verwendung von kartesischen Positions- und Geschwindigkeitsvektoren). Das Endergebnis wird dann nur noch für die Anwendungen in die klassischen 'Osculating Orbital Elements' umgerechnet, die eine solche Darstellung benötigen oder davon profitieren.

Die "Nasa" interessiert sich zwar für Astronomie, aber die Vermessung der Planeten wurde lange vor der Existenz der Nasa durchgeführt.

Die Positionen der Planeten können direkt beobachtet werden. Sie können buchstäblich sehen, wo sich die Planeten befinden, und ihre Positionen messen. Damit können Sie genau sagen, wie lange es dauert, eine vollständige Umrundung zu machen.

Sie können die Masse eines Planeten bestimmen, indem Sie seine Gravitationswirkung auf andere Körper beobachten. Es ist am bequemsten, die Umlaufbahn der Monde des Planeten zu messen.

Keplers drittes Gesetz kann nicht verwendet werden, um Masse zu finden. Keplers Gesetze besagen, dass die Umlaufzeit von der Entfernung abhängt, nicht von der Masse.

So können sowohl die Umlaufzeit als auch die Massen des Planeten gemessen werden. Während einfache Beobachtungen der Position des Planeten die Umlaufzeit bestimmen können. Genauere Messungen mit Radar können die Position und Bewegung eines Planeten mit sehr hoher Genauigkeit genau lokalisieren.

Die Kepler-Mission der NASA hat die meisten Beiträge auf diesem Gebiet geleistet. Die Masse eines Planeten wird normalerweise mit der Methode der Radialgeschwindigkeit (RV) gemessen. Die Gravitationsanziehung zwischen einem Planeten und seinem Wirtsstern bewirkt, dass der Stern, wenn er von seinem Planeten umkreist wird, um einen Betrag „wackelt“, der vom Massenverhältnis zwischen Planet und Stern abhängt. Manchmal ist auch das elektromagnetische Spektrum ein wichtiger Faktor.

Nach der Massenbestimmung oder Massenmessung des Muttersterns verwenden wir also

R = ∛(T^2 · Ms)

wobei Ms = die Masse des Sterns im Verhältnis zur Masse unserer Sonne ist. Um die Umlaufzeit eines Exoplaneten mithilfe einer Lichtkurve zu ermitteln, bestimmen Sie die Zeitdauer zwischen jedem Einbruch in der Lichtkurve, dargestellt durch eine Linie, die unter die normale Lichtintensität fällt.