УДК 523.24: 521.1/.3; 521.14/.17
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАБЛЮДЕНИЙ ЗВЕЗД С ПОВЕРХНОСТИ ЛУНЫ С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРНОГО ЗЕНИТ-ТЕЛЕСКОПА ЯПОНСКОГО ПРОЕКТА ILOM © 2013 г. Н. К. Петрова1, 2, Х. Ханада3
1Казанский (Поволжский) федеральный университет, Россия 2Казанский государственный энергетический университет, Россия 3Национальная астрономическая обсерватория Японии, Япония Поступила в редакцию 03.12.2012 г.
В статье кратко описаны назначение и возможности японского проекта ILOM (In-situ Lunar Orientation Measurement), в рамках которого планируется установить на одном из полюсов Луны зенит-телескоп с ПЗС-матрицей в объективе для наблюдения звезд с целью определения физической либрации Луны. Исследования, представленные в данной статье, являются результатом первого этапа теоретического сопровождения проекта:
— подборка списка звезд, попадающих в поле зрения телескопа на пути прецессионного движения лунного полюса;
— моделирование и анализ поведения звездных треков в период их наблюдения;
— моделирование и проверка чувствительности измеряемых селенографических координат звезд к изменению параметров динамической модели Луны и параметров упругости лунного тела. Обсуждаются прямая и обратная задачи ФЛЛ. В рамках прямой задачи были рассчитаны видимые "суточные параллели" и годичные треки звезд, показаны особенности их поведения при наблюдениях с лунной поверхности. На этом же этапе моделирования было проведено сравнение селенографических координат звезд для четырех моделей гравитационного поля Луны — модели, построенной на основе лазерной локации Луны (ЛЛЛ), GLGM-2, LP150Q, SGM100h и показано, что даже при сравнении самых современных моделей LP150Q и SGM100h звездные треки отличаются более чем на 10 мс дуги.
На этапе обратной задачи исследовалось проявление в селенографических координатах вязкоупру-гих свойств Луны. В спектре моделируемых остаточных разностей выявлены гармоники, которые могут служить индикаторами для уточнения параметров — числа Лява k2 и времени задержки, характеризующего вязкие свойства лунного тела.
DOI: 10.7868/S0320930X13060066
ВВЕДЕНИЕ
В течение последних двух десятилетий Луна является объектом всестороннего исследования на основе большого ряда космических экспериментов. В программу исследований включается изучение тонких эффектов вращательного движения физической либрации, исследование гравитационного поля Луны и планет методами межспутникового слежения, создание селенографической системы координат, анализ многообразия внутреннего строения Луны.
Вращение Луны чувствительно к ее внутреннему строению. Численный подход к построению теории физической либрации Луны (Newhall, Williams, 1997; Williams и др., 2001; 2006; 2008; 2010; Krasinsky, 2002; 2003; Rambaux, Williams, 2011) позволяет учитывать многие элементы внутренней стратиграфии лунного тела. Это привело к высокоточному описанию современных
данных лазерной локации. Несмотря на усложнение, данную идеологию логично развивать и в аналитическом подходе в описании физической либрации Луны (ФЛЛ), поскольку появляются уникальные возможности разделения вынужденной и свободной либрации и отождествления многих тонких эффектов лунного вращения с физической природой их происхождения.
Подобный вариант получения большого объема информации на основе различных моделей физической либрации стимулировал ряд работ, в которых дан обзор результатов и очерчен круг проблем в этой области (Dickey и др., 1994; Petro-va, Gusev, 2001; 2005; Гусев, Петрова, 2008; Petrova и др., 2008; Williams и др., 2006; 2008; 2010). В них четко позиционируется, что изучение вращения небесного тела — один (а порой — единственный) из методов исследования внутренней структуры астрономических объектов, для которых недосту-
пен богатый арсенал геофизических методов, успешно применяемых для Земли. Прекрасной наблюдательной основой такого подхода являются высокоточные данные лазерной локации Луны (ЛЛЛ), а также будущие измерения ФЛЛ в планируемой серии экспериментов японской космической миссии SELENE-II, позволяющие выявить многие слабовыраженные особенности лунного вращения и по ним реконструировать сложное строение лунных глубин.
На сегодняшний день ЛЛЛ, реализуемая более 40 лет, является одним из самых эффективных источников информации о Луне. Точность лазер -ных измерений достигла уровня, достаточного для определения даже релятивистских эффектов в системе Земля—Луна. Анализ лазерных данных при определении параметров лунного вращения позволил не только уточнить числовые характеристики динамической фигуры Луны (безразмерные моменты инерции у, в и др.) и коэффициентов упругости k2 и l2, но и однозначно определить амплитуды и фазы чандлероподобных мод в свободной либрации и, в то же время, открыть наличие сильной диссипации вращения (Williams и др., 2001).
Используя численную и аналитическую теории ФЛЛ и моделируя лунные параметры упругости, добротности, трения на границе ядро-мантия, сотрудникам JPL NASA (Williams и др., 2001) удалось не только объяснить возникшее между теорией и наблюдениями расхождение, но и впервые с достаточной степенью точности сказать о размерах и химическом составе лунного ядра.
Точность описания лунного вращения в первую очередь определяется точностью описания селенопотенциала (лунной динамической фигуры). Понятие динамическая фигура или динамическая модель включает в себя значение нормализованного момента инерции C/(MR2) и набор числовых значений коэффициентов Стокса Cnm, ¿*nm, получаемых из гравиметрических спутниковых измерений и/или безразмерных моментов инерции у, в, определяемых из ЛЛЛ. Числовые значения этих величин определены моделью гравитационного поля Луны.
Огромный вклад в получение информации о параметрах динамической фигуры дали космические эксперименты, такие как Clementine (1994 г., NASA, США), Lunar Prospector (1998-1999 гг., NASA, США). В новом тысячелетии серия экспериментов стартовала с проекта SMART-1 (20032006 гг., Европейское космическое агентство) и продолжилась в 2007 г. исследованиями космических агентств Японии, Китая, Индии. Японская миссия SELENE (Kaguya) впервые за более чем годовой срок пребывания на лунной орбите обеспечила высокоточное топографическое и гравитационное картирование всей лунной поверхно-
сти, включая ранее недоступные области обратной стороны и зоны лимба (Matsumoto и др., 2010; Goossens и др., 2011).
В сентябре 2011 г. к Луне стартовала новая миссия NASA GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory), направленная на изучение гравитационного поля Луны. В конце 2012 г. миссия закончила работу. Ее результаты позволили построить модель селенопотенциала до 420 степени разложения на сферические гармоники, названную как GL0420A (Zuber и др., 2012). Модель GRAIL позволила выявить структуры, ранее не обнаруженные: это и тектонические структуры, и вулканические формы, и круговые бассейны, и кратеры с центральными пиками. Показано, что 98% гравитационных структур, выявленных на основе гармоник до 300 порядка, обусловлены топографическими особенностями. Но оставшиеся 2% особенностей представляют детали подповерхностных структур, о которых ранее не было известно.
Новый объем и качество информации о Луне предполагается получить после реализации запланированного на начало 20-х годов этого столетия второго этапа миссии SELENE-II. Одной из составляющих этой миссии будет проект ILOM (In-situ Lunar Orientation Measurement), который предусматривает установку оптического телескопа на одном из полюсов Луны (Hanada и др., 2009—2012). Основная задача проекта — наблюдение физической либрации Луны непосредственно с ее поверхности с целью выявления тонких эффектов, связанных с характеристиками внутреннего строения нашего спутника: уточнение числовых значений коэффициентов упругости Лява, параметров приливной диссипации и диссипации на границе ядро—мантия, размеры и эллиптичность ядра, его химический состав. Для приема и регистрации изображения звезд разрабатывается ПЗС-матрица высокого разрешения. Наблюдения с лунной поверхности освобождены от атмосферных флуктуаций, а также нет необходимости учитывать орбитально-вращательное движение Земли — в этом преимущество проекта ILOM по сравнению с наземными наблюдениями. Планируемая точность измерения звездных координат 1 мс дуги. Наблюдения, предполагается, будут продолжаться в течение 450 дней.
Планируемая точность, 1 мс дуги и даже чуть выше, необходима для того, чтобы иметь возможность анализировать эффекты, обусловленные неоднородностью внутреннего строения Луны на больших глубинах. К примеру, наибольший дис-сипативный член, возникающий из-за эффектов трения на границе ядро—мантия, имеет амплитуду порядка 0.1'', но он проявляется на тех же частотах, что и наибольшие члены, обусловленные приливной неупругой диссипацией, в этом случае необходимы члены с малой амплитудой (порядка
нескольких мс) для того, чтобы разделить эти два эффекта.
Компьютерное моделирование будущих наблюдений по проекту ILOM проводится с целью его оптимизации, а именно: желательно найти эффективное размещение измерительной аппаратуры на лунной поверхности, сформировать расписание наблюдений для мониторинга физической либрации Луны, оценить возможности нового типа наблюдений для уточнения исследуемых параметров Луны и ее либрации.
Первые этапы моделирования включают в себя следующие моменты:
— подборка списка звезд, попадающих в поле зрения телескопа на пути прецессионного движения лунного полюса;
— анализ поведения звездных треков в период их наблюдения;
— проверка чувствительности измеряемых селенографических координат звезд к изменению параметров динамической модели Луны и параметров упругости лунного тела.
Для реализации этих задач нами была использована аналитическая теория физической либрации твердой Луны Петровой (Petrova, 1996), улучшенная (Гусев, Петрова, 2008) за счет включения в нее гармоник 4-го порядка селенопотенциала и дополнения членами свободной либрации, заимствованными из работы Chapront, Chapront-Touze (1997). Поскольку цель исследования — качественная оценка возможностей наблюден
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.