Аномалія обльоту

Аномалія обльоту або аномалія зближення (англ. flyby anomaly) — несподіване збільшення енергії під час обльотів Землі космічними апаратами. Аномалія спостерігається як зміщення в S-діапазоні (2—4 ГГц або 15—7,5 см) і X-діапазоні (8—12 ГГц або 3,75—2,5 см) доплерівської телеметрії і телеметрії дальності. У сукупності це викликає значне непередбачуване збільшення швидкості до 13 мм/с під час обльоту. Чисельно більші розбіжності (400—1000 м) спостерігалися принаймні в одному обльоті (NEAR) відносно радарів Мережі космічного спостереження США (SSN).

Спостереження

Гравітаційні маневри — це цінний метод для досліджень Сонячної системи. Оскільки успіх цих маневрів обльоту залежить від геометрії траєкторії, положення та швидкість космічного апарата постійно відстежується в ході зустрічі апарата з планетою за допомогою Мережі далекого космічного зв'язку (МДКЗ).

Залишки вимірів дальності при обльоті Землі апаратом NEAR.

Під час свого обльоту MESSENGER не помітив жодних аномалій

Аномалія обльоту була вперше помічена під час ретельного аналізу доплерівських даних МДКЗ незабаром після обльоту Землі космічним апаратом «Галілео» 8 грудня 1990 року. Хоча очікувалося, що доплерівські залишки (спостережувані мінус розрахункові дані) залишаться незмінними, аналіз показав несподіване зміщення на 66 МГц, що відповідає збільшенню швидкості на 3,92 мм/с у перигеї. Дослідження цього ефекту в Лабораторії реактивного руху, Центрі космічних польотів Ґоддарда і Техаському університеті не дали задовільного пояснення. Жодна аномалія не була виявлена після другого обльоту Землі космічним апаратом «Галілео» в грудні 1992 року, де виміряне зниження швидкості збігалось із тим, що очікується від аеродинамічного опору на нижній висоті 303 км. Однак оцінки опору мали велику похибку, і тому аномальне прискорення не може бути виключене.

23 січня 1998 року апарат NEAR Shoemaker отримав аномальне збільшення швидкості 13,46 мм/с після його обльоту Землі, апарат «Кассіні — Гюйгенс» отримав близько 0,11 мм/с в серпні 1999 року, а «Розетта» отримала 1,82 мм/с після обльоту Землі в березні 2005 року.

Аналіз даних космічного апарата MESSENGER (вивчає Меркурій) не виявив яких-небудь істотних несподіваних збільшень швидкості — можливо, тому, що MESSENGER наближався й віддалявся від Землі симетрично відносно екватора (див. дані та запропоноване рівняння нижче). Це дає змогу припустити, що аномалія може бути пов'язана з обертанням Землі.

У листопаді 2009 року за космічним апаратом «Розетта» ЄКА пильно слідкували під час обльоту з метою точно виміряти його швидкість і зібрати додаткову інформацію про аномалію, але ніяких суттєвих аномалій виявлено не було.

Обліт 2013 року апаратом «Юнона» на шляху до Юпітера не дав жодного аномального прискорення.

Резюме обльотів Землі космічними апаратами представлені в таблиці нижче.

Характеристика	Галілео I	Галілео II	NEAR	Кассіні	Розетта-I	MESSENGER	Розетта-II	Розетта-III	Юнона	Хаябуса-2
Дата	08.12.1990	12.12.1992	23.01.1998	18.08.1999	04.03.2005	02.08.2005	13.11.2007	13.11.2009	09.10.2013	03.12.2015
Швидкість на нескінченності, км/с	8,949	8,877	6,851	16,01	3,863	4,056				4,7
Швидкість у перигеї, км/с	13,738	—	12,739	19,03	10,517	10,389	12,49	13,34		10,3
Параметр зіткнення, км	11261		12850	8973	22 680,49	22319
Мінімальна висота, км	956	303	532	1172	1954	2336	5322	2483	561	3090
Маса космічного апарата, кг	2497,1		730,40	4612,1	2895,2	1085,6	2895	2895	~2720	590
Нахил траєкторії до орбіти, градусів	142,9	138,9	108,8	25,4	144,9	133,1
Кут відхилення, градусів	47,46	51,1	66,92	19,66	99,396	94,7				80
Зростання швидкості на нескінченності, мм/с	3,92 ± 0,08	−4,60 ± 1,00	13,46 ± 0,13	−2 ± 1	1,82 ± 0,05	0,02 ± 0,01	~0	~0	~0	?
Зростання швидкості у перигеї, мм/с	2,56 ± 0,05		7,21 ± 0,07	−1,7 ± 0,9	0,67 ± 0,02	0,008 ± 0,004	~0	−0,004 ± 0,044		?
Отримана енергія, Дж/кг	35,1 ± 0,7		92,2 ± 0,9		7,03 ± 0,19					?

Майбутні дослідження

Нові місії з обльотами Землі включають BepiColombo із запуском у жовтні 2018 року та обльотом Землі у квітні 2020 року.

Деякі місії призначені для вивчення гравітації, як-от STEP, будуть робити дуже точні виміри гравітації і можуть пролити світло на цю аномалію.

Запропоноване рівняння

Емпіричне рівняння для аномальної зміни швидкості при обльоті було запропоноване Дж. Д. Андерсоном зі співавт.:

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

де:

• ω_Е — кутова частота Землі;
• R_Е — радіус Землі;
• φ_я і φ_о — вхідний і вихідний екваторіальний кут апарата.

Рівняння не враховує залишків SSN — див. «Можливі пояснення» нижче.

Можливі пояснення

Було запропоновано кілька можливих пояснень аномалії обльоту, зокрема:

• Неврахований поперечний ефект Доплера, тобто червоне зміщення джерела світла з нульовою радіальною і ненульовою тангенціальною швидкістю. Однак це не може пояснити подібну аномалію в даних виміру дальності.
• Гало темної матерії навколо Землі.
• Модифікація інерції в результаті Габбл-масштабного ефекту Казимира, пов'язаного з ефектом Унру (MiHsC).
• Вплив загальної відносності, яка в її слабкому полі та лінеаризованій формі створює гравітоелектричні і гравітомагнетичні феномени, як-от ефект Лензе — Тіррінга, також досліджувався, але вона також не може пояснити аномалію обльоту.
• Джозеф К. Хафеле запропонував пояснення запізнювання гравітації від часу.
• Пропорційна до дальності надмірна затримка телеметричного сигналу була виявлена в даних Мережі космічного спостереження США щодо телеметрії дальності обльоту NEAR. Ця затримка, яка пояснює аномалію і в доплерівських даних, і в даних телеметрії дальності, а також кінцеві доплерівські коливання в межах 10—20 %, вказує на внутрішньоімпульсні лінійні частотні модуляції (chirp modes) в прийомі сигналів внаслідок доплерівського коефіцієнта (співвідношення швидкості хвилі до її швидкості в середовищі), прогнозує позитивну аномалію тільки коли відстеження траєкторії станціями МДКЗ переривається близько перигею, а також нульову або негативну аномалію, якщо вона відстежується неперервно. Ніяких аномалій не повинно спостерігатися, якщо доплерівське відстеження здійснюється не станціями МДКЗ.

Ряд залишків SSN відносно дальності та затримки

Див. також

• Нерозв'язані проблеми фізики
• Модифікована ньютонівська динаміка
• Аномалія «Піонера»

Література

• J. D. Anderson; J. G. Williams (2001), Long-range tests of the equivalence principle, Class. Quantum Grav., 18 (13): 2447—2456, Bibcode:2001CQGra..18.2447A, doi:10.1088/0264-9381/18/13/307.
• C. Lämmerzahl; O. Preuss; H. Dittus (2006), Is the physics within the Solar system really understood?, Proceedings of the 359th WE-Heraeus Seminar on "Lasers, Clocks, and Drag-Free: Technologies for Future Exploration in Space and Tests of Gravity", arXiv:gr-qc/0604052 Associated presentation slides^{[недоступне посилання з травня 2019]}.
• J. D. Anderson; J. K. Campbell; M. M. Nieto (2006), The Energy Transfer Process in Planetary Flybys, New Astronomy, 12 (5): 383—397, arXiv:astro-ph/0608087, Bibcode:2007NewA...12..383A, doi:10.1016/j.newast.2006.11.004
• NASA Baffled by Unexplained Force Acting on Space Probes [Архівовано 20 грудня 2010 у Wayback Machine.] (2008), at Space.com.
• J. D. Anderson; J. K. Campbell; J. E. Ekelund; J. Ellis; J. F. Jordan (2008), Anomalous Orbital-Energy Changes Observed during Spacecraft Flybys of Earth (PDF), Physical Review Letters, 100 (91102): 091102, Bibcode:2008PhRvL.100i1102A, doi:10.1103/PhysRevLett.100.091102, PMID 18352689, архів оригіналу (PDF) за 16 жовтня 2008, процитовано 3 березня 2017.
• Wanted: Einstein Jr [Архівовано 2 червня 2016 у Wayback Machine.] (2008), at Economist.com [Архівовано 5 травня 2007 у Wayback Machine.].
• K. Svozil; K. Svozil (2007). Microphysical analogues of flyby anomalies. New Astronomy. 12 (5): 383—397. arXiv:0804.2198. Bibcode:2007NewA...12..383A. doi:10.1016/j.newast.2006.11.004.

Посилання

• Lämmerzahl, Claus (2008). The Pioneer Anomaly or Do We Really Understand the Physics With the Solar System? (PDF). Center for Applied Space Technology and Microgravity. University of Bremen. с. 123. Архів оригіналу (pdf; 6.25 MB, talk/slides) за 26 вересня 2015. Процитовано 3 березня 2017.
• Aste, Andreas (2008). Spacecraft Anomalies: An Update (PDF). Department of Physics. University of Basel. с. 29. Архів оригіналу (pdf; 9.8 MB, talk/slides) за 7 листопада 2016. Процитовано 3 березня 2017.