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自至少17世纪以来,天文学家们就对我们太阳系行星的轨道有了扎实的了解,当时约翰内斯·开普勒提出了他的行星运动定律。 但是,这些轨道的精细细节并不总是显而易见的,特别是对于更遥远的外行星而言,这归因于地球与这些世界之间巨大的距离以及飞到其附近的航天器数量有限。
就在10或15年前,我们对巨行星木星和土星的位置的了解还只能精确到数百公里以内。 考虑到它们与地球的距离是数亿甚至数十亿公里,这种精确度对于任何天文学家在天空中定位行星来说已经足够了。 但是,更好的轨道测量对于星际飞船来说是一大福音,它们经常利用单个行星的引力进行航向修正的 SlingShot 弹射机动,这种机动的误差范围很小。 并且诸如脉冲星计时等精密天文任务需要精确的行星图表,以便校准地球观测者在动态太阳系中的运动。
天文学家现在正在使用卡西尼号探测器(于 2004 年在土星周围安家)来改进他们对这颗环状行星的位置和运动的认识。 卡西尼号的日常无线电传输充当信标,因为该航天器执行其任务; 通过使用一系列强大的射电望远镜精确定位其在天空中的位置,并将该信息与其他望远镜数据相结合,研究人员还可以非常准确地掌握土星在其绕太阳轨道上运动时的位置。 感谢卡西尼号,天文学家现在可以预测未来几十年内土星的位置,误差在几公里之内。 来自加利福尼亚州帕萨迪纳市的 NASA 喷气推进实验室 (JPL) 和国家射电天文台的一组研究人员在天文学杂志二月刊上发表了一份关于这项正在进行的卡西尼任务的报告。
行星位置和运动的数值描述,称为星历表,是“天文学的基本工具之一,您希望随着时间的推移逐步、持续地改进它”,JPL 天文学家和主要研究作者 Dayton Jones 说。 JPL 经常发布动态星历表,或 DE,使用新信息升级系统,很像软件开发人员更新计算机的操作系统以添加新功能并提高稳定性。
由于雷达或激光测距对地球卫星和内行星——水星、金星、地球和火星——表面的读数,以及来自探索过地球邻域的众多轨道飞行器和着陆器的传输,它们的轨道已经得到很好的确定。 “我们对外行星的数据精度要低得多,”琼斯说。 “借助卡西尼号,我们首次有机会在土星轨道周期的大部分时间内非常精确地跟踪它的运动。”
为了做到这一点,琼斯和他的同事使用了甚长基线阵列 (VLBA),这是一个由 10 个射电望远镜组成的网络,从夏威夷延伸到美属维尔京群岛,在 2006 年至 2009 年间的八次场合中精确定位了卡西尼号在天空中的位置。 (另一组人在 2004 年做了同样的事情。)来自 NASA 深空网络的无线电天线的补充数据(该网络跟踪飞行中的众多航天器)描述了卡西尼号相对于土星的位置。 将这两个测量结果结合起来,可以得到土星在天空中可用的最佳位置——根据研究合著者 William Folkner(同样来自 JPL)的说法,VLBA 数据比土星轨道次优测量结果好约 30 倍。
组合计算部分是通过使用 VLBA 锁定卡西尼号,并将航天器的位置(以及土星的位置)与背景射电源(如类星体)的参考框架进行比较来实现的。 “VLBA 的测量精度非常好,以至于我们目前受到某些射电源位置的精度的限制,并且几乎受到地球轨道不确定性的限制,就像受到土星轨道不确定性的限制一样,”Folkner 说。
既然土星的位置越来越清晰,木星作为下一个轨道改进的目标也变得突出起来。 木星质量主导着外太阳系,因此更好地了解它的运动将带来许多连锁益处。 对于星历表的管理者来说幸运的是,NASA 正在准备一个名为朱诺号的木星轨道飞行器,它将充当类似的(如果寿命较短)无线电信标。 朱诺号计划于 8 月开始为期五年的太阳系之旅,之后它将花费一年时间在太阳系最大的世界周围绕几十圈,以研究其结构并尝试更好地约束其形成。