#
Астрономия
Эфемериды - инструмент открытий новых небесных тел
Н.В. ЕМЕЛЬЯНОВ,
доктор физико-математических наук
ГАИШ МГУ
Изучение динамики тел Солнечной системы способствует расширению среды обитания человека и защите его от опасных сил природы. Основной метод - уточнение модели движения небесных тел на основе наблюдений. Целью, результатом и средством научных исследований служат эфемериды небесных тел. Автор дает
определение понятия эфемерид, описывает процесс уточнения эфемерид по наблюдениям, объясняет, как с помощью эфемерид открывают новые небесные тела и уточняют законы природы. Читатель познакомится с примерами решения некоторых актуальных научных задач в области динамики тел Солнечной системы.
ЗАЧЕМ МЫ ИЗУЧАЕМ ДВИЖЕНИЕ ПЛАНЕТ И СПУТНИКОВ
Астрономы-исследователи в своей деятельности не могут избежать философских вопросов об отношении человека к окружающей природе. Рано или поздно кто-нибудь спросит: "Зачем мы все это изучаем? Зачем все это нужно?" Молодой исследователь, скорее всего, просто восклик-
32
нет: "Это же так интересно!" Зрелому ученому для ощущения комфорта нужны конкретные ответы на подобные вопросы.
Человек всегда испытывал любопытство и практический интерес к среде обитания. Теперь это уже не только Земля и Луна, но и вся Солнечная система. Сейчас ее исследуют с помощью АМС, космических об-
серваторий и крупных наземных телескопов. При этом астрономами движет не только любопытство, но и стремление максимально использовать среду обитания для улучшения жизни людей. Всегда существовала еще одна важная мотивация научных исследований - защита от природных катаклизмов (Земля и Вселенная, 2003, № 2; 2010, № 3).
© Емельянов Н.В.
Аризонский кратер (астро-блема) диаметром 1240 м и глубиной 200 м (США), образовавшийся 50-100 тыс. лет назад в результате падения метеорита диаметром 25-40 м и массой около 100 тыс. т.
Еще не стерты с лица Земли кратеры размером в сотни километров от падения астероидов. Какова же вероятность ас-тероидно-кометной опасности? А как насчет устойчивости Солнечной системы? Возникает некий дискомфорт от отсутствия ответа на такие острые вопросы. Вот почему мы благодарны тем немногим подвижникам науки, которые пытаются найти на них ответы.
Как астрономы изучают движение планет и спутников? Что здесь интересного? В чем проблемы? Отвечая на эти вопросы, приходится оперировать понятием, которое редко обсуждается в популярной литературе, но которое всегда используется при практическом изучении динамики тел Солнечной системы из наблюдений. Речь идет об эфемеридах.
ЧТО ТАКОЕ ЭФЕМЕРИДЫ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ
Существует традиционное представление: эфемериды - это бесчисленные таблицы в астрономических ежегодниках. Такое ограниченное
3. Земля и Вселенная, № 5
определение не отражает действительного смысла эфемерид. Постараемся его уточнить. Допустим, некоторое небесное тело наблюдали в течение некоторого времени и измерили величины, зависящие от положения небесного тела в пространстве. Раньше положение тел на небе определяли исключительно угломерными методами. В наше время положение тел в космическом пространстве можно определять с помощью АМС и мощных наземных радаров, которые умеют измерять расстояния до небесных тел и их относительную скорость (координаты). На самом деле координаты получают потом, после обработки наблюдений. В процессе наблюдений всегда измеряют только разности координат двух небесных тел либо координаты тела относи-
тельно окулярной нити, края фотопластинки или в "пиксельной" системе координат цифровой фотокамеры.
Допустим, что из наблюдений получены координаты небесного тела на некоторых отрезках времени. Ставится задача определить координаты тела в заданный момент времени в прошлом или будущем. В процессе решения этой задачи вычисляются эфемериды. Для этого нужно очень точно знать все силы, под действием которых происходит движение небесного тела. В наше время эфемеридами часто называют средства определения положения небесных тел в виде формул, методов вычислений, математических программ и техники доступа к данным. Эфемеридами называют также сами предвычисленные
33
положения
небесных
Фобос. Снимок сделан 7 марта 2010 г. АМС "Марс Экспресс" с расстояния 93 км (разрешение - 4,4 м). Фотокамера станции была направлена на спутник Марса с помощью эфемерид, поэтому он оказался точно в поле зрения. Фото NASA.
34
тел.
Зачем нужны эфемериды? Как и раньше, эфемериды необходимы для организации и проведения новых наблюдений. Надо знать, куда направлять наземный телескоп или телекамеру космического аппарата. Эфемериды также необходимы для проведения космических миссий. Еще важнее с помощью эфемерид изучать динамику и физику небесных тел. Например, тот факт, что Фобос падает на Марс, известен именно из эфемерид. Но этим не исчерпывается их роль в астрономических исследованиях. На самом деле это очень мощный инструмент для открытия небесных тел и законов природы.
МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ЭФЕМЕРИД
Рассмотрим, как определяются эфемериды. Создать теорию движения сразу всех тел во Вселенной невозможно. В любом исследовании ограничиваются определенным составом системы тел. Некоторые небесные тела были открыты при их наблюдении невооруженным глазом. Когда-то человек плохо представлял себе, что творится на громадных расстояниях от него. Но теперь мы уже знаем достаточно много о законах, которым подчиняется движение планет
Схема процесса создания эфемерид небесных тел.
и спутников, комет и астероидов, космической пыли и автоматических межпланетных станций. Мы временно постулируем справедливость некоторых законов взаимодействия небесных тел. Такие законы и состав исследуемых объектов позволяют составить дифференциальные уравнения движения. Они являются основой всех математических выкладок при создании эфемерид. Все, казалось бы, идет хорошо, но озадачивает тот факт, что мы никогда не получим точного решения уравнений движения. Из-за несовершенства математического аппарата решение всегда оказывается приближенным. В этой ситуации могут возникать ошибки вычислений.
Изучая планеты и спутники, мы смело предполагаем, что все время остаются постоянными некоторые физические параметры, характеризующие небесные тела. Примером служат массы планет и спутников, которые входят в уравнения движения. Для решения уравнений движения аналитическими методами значения физических параметров не нужны, они входят в уравнения буквенно.
После решения уравнений движения аналитическими методами или в процессе решения уравнений методами численного интегрирования кроме физических параметров нужны еще значения параметров движения. Обычно при вычислениях используются элементы орбит или начальные значения координат и ско-рост и тел. Откуда же берутся значения всех этих параметров? Как правило, они взяты из предшествующих исследований. Если какие-то параметры неизвестны, то их можно задать произвольно, исходя из неких предположений. Все перечисленное выше научное богатство позволяет построить модель движения системы небесных тел. Это уже не абстракция, а реально существующий инструмент. Чтобы понять, что это такое, представим себе "ящик". Если в него "забросить" какой-либо момент времени, из него "вывалятся" значения ко-
ординат небесного тела или значения какой-либо функции от координат. Можно попробовать "положить" туда и момент нового наблюдения, тогда ящик "выдаст" значение той величины, которая измерялась во время наблюдения. Очень интересно сравнить два значения - измеренное во время наблюдений и вычисленное по модели движения. Реальность такова,что эти значения никогда не совпадают. Говорят о разностях "О - С" (observed minus calculated - наблюдения минус вычисления) -обычный предмет научных обсуждений. Они никогда не равны нулю. Почему же? Во-первых, наблюдения выполняются всегда с некоторыми погрешностями. Во-вторых, неизбежны упомянутые выше ошибки вычислений. Если разности "О - С" получились меньше ошибок наблюдений и вычислений, инженеры вместе с учеными продолжают совершенствовать методы наблюде-
35
ний, чтобы уменьшить их ошибки. В свою очередь математики и вычислители совершенствуют методы вычислений.
В конце концов наступает желанный для исследователей момент - разности "О - С" становятся больше
ошибок наблюдений и вычислений. Здесь-то и начинается самое интересное. Конечно, прежде всего уточняют параметры движения небесных тел - элементы орбит или начальные значения координат и скорости.
36
Такой рутинной работой занимаются и молодые диссертанты, и крупные службы в мире, такие как Международный центр малых планет (Minor planet center) или Служба естественных спутников планет MULTI-SAT (http://www. sai.msu.ru/neb/nss/index. htm). Если после уточнения параметров движения разности "О - С" не уменьшаются до значений ошибок, наступает звездный час исследователя. Он приступает к уточнению знаний о па-
Современное здание Института небесной механики и вычисления эфемерид в Париже. Фото автора.
раметрах планет, спутников, астероидов и комет.
Иногда согласования теории с наблюдениями удается достичь только после включения в состав системы нового, еще не наблюдавшегося небесного тела. В результате нередко открываются новые планеты или спутники. Для небесных тел, движущихся по орбитам, существует одно приближенное, но очень важное соотношение между точностью наблюдений, интервалом времени наблюдений, интервалом от последнего наблюдения до момента, на который вычисляется положение небесного тела, и точностью эфемерид. Погрешность эфемерид пропорциональна ошибкам наблюдений, интервалу до момента эфемериды и обратно пропорциональна интервалу времени наблюдений. Отсюда легко выводятся правила для наблюдений небесных тел:
- для построения модели движения любого небесного тела всегда нужно использовать набор всех существующих наблюдений, начиная с момента открытия этого небесного тела;
- продолжение наблюдений небесных тел
#
(в том числе наземных) даже с прежней точностью оказывается полезным;
- преимущества одних наблюдений по сравнению с другими определяются не только их точностью, но и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.