Радиолокационные исследования астероидов, сближающихся с Землей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

И> ьЛ'Л </ ^ ¿(0^9г- О /<ГЗ/оГ

ч ^ ..<? _ 'V "

РОСОТЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК |

ордайатрудойбгбкраенрш знамени у

институт РАДйё^ЕХНШИ^И ^Е|СГЮНИК1^

Ь, .... ... ^- - ............... -

^¿¿4- На правах рукописи

' С""""""

Александр Леонидович Зайцев ^гу^-

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АСТЕРОИДОВ, СБЛИЖАЮЩИХСЯ С ЗЕМЛЁЙ

(специальность 01.04.03 - радиофизика)

Диссертация в виде научного доклада

на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

Фрязино -1997

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник С. М. Копейкин, Астрокосмический центр ФИ АН, Москва;

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник В. М. Линкин, Институт космических исследований РАН, Москва;

доктор технических наук, профессор О. И. Яковлев, Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязино.

Ведущая организация:

Институт теоретической астрономии РАН, С.-Петербург.

Защита состоится 19 декабря 1997 года в 10 часов утра на заседании диссертационного Совета Д 002.74.02 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, Москва, ГСП-3, ул. Моховая, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН. Отзывы на диссертацию просьба направлять по адресу, указанному выше.

Диссертация разослана йй. ноября 1997 года. Ученый секретарь диссертационного Совета, к. т. н.

М. Г. Голубцов.

V

/\ « / " ч ■■

Содержание

1. Введение........................................................4

2. Общая характеристика работы...................................8

2.1. Актуальность проблемы....................................... В

2.2. Цели диссертации..............................................9

2.3. Научная и практическая новизна работы ....................... 9

2.4. Достоверность основных результатов..........................10

2.5. Аппробация работы...........................................11

2.6. Основные положения, выносимые на защиту...................12

3. Обзор методов и результатов исследований .......................13

3.1. История астероидной радиолокации...........................13

3.2. Направления исследований....................................13

3.3. Экспериментальная база...................................... 15

3.4. Расчётные соотношения....................................... 16

3.5. Наиболее значительные результаты............................20

4. Радиолокация астероида 4179 Таутатис на волне 6 см............. 22

4.1. Проект радиолокации Таутатиса...............................22

4.2. Межконтинентальная система Евпатория -» Эффеяьсберг.......25

4.3. Методика измерений и расчет целеуказаний....................27

4.4. Доплеровская астрометрия....................................2В

4.5. Строение астероида Таутатис .................................29

4.6. Оценка периода вращения астероида...........................31

4.7. Интегральные характеристики поверхности....................33

5. Радиолокация астероида 6489 Голевка на волне 3,5 см............ 36

5.1. Идея и программа эксперимента...............................36

5.2. Бисгатическая система Голдстоун -> Евпатория................38

5.3. Доплеровская астрометрия ....................................41

5.4. Интегральные характеристики поверхности....................43

5.5. Полярный силуэт астероида...................................48

5.6. Пути модернизации системы...................................49

.......5!

......51

КНИГА ИМЕЕТ

Листов печатных Обшсс 1 КОЛИЧ. «Uli. 1 В переплетной ед. соедим. номера ВЫП. «о я Н Карт <4 п. ь о 5 — а: — а z о <L> ^ —. V г; ^ и ä Номера списка и порядковый г-. «л

1 1 1 i 2 да

53

1. Введение

В послании Комитету перспективного планирования H АСА Карл Саган (Sagan, 1996) определил два главных направления космических исследований на ближайшие тридцать лет: Марс и околоземные объекты (ОЗО) - те астероиды и кометы, которые, имея сильно вытянутые орбиты, периодически сближаются с Землёй при своём движении вокруг Солнца. В качестве основных причин необходимости и целесообразности исследования ОЗО указывается на астероидно-кометную опасность и возможность существенного прогресса в понимании проблем формирования Солнечной системы и возникновения жизни на Земле. Кроме того, экспедиции автоматов и человека на ОЗО проще полётов на Марс, а как новая и неизведанная среда обитания популяция околоземных объектов не менее притягательна.

При всём многообразии средств и методов исследования окружающего нас космического пространства, существуют лишь три источника информации о нём. Это естественное или индуцированное излучение небесных тел, отражённые от них искусственные зондирующие сигналы и непосредственный анализ объекта исследований "in situ". В соответствии с данной классификацией, в первом случае астрономическая информация получается из наблюдений, в различных диапазонах, от радио до гамма, с помощью наземных или орбитальных телескопов. Во втором - путём локации в радио или других диапазонах. Третий случай - космические экспедиции автоматический станций, а в будущем и человека, непосредственно к объектам исследований.

По сравнению с пассивными наблюдениями с Земли или из космоса, локационные методы более информативны, в первую очередь благодаря тому, что в отличие от наблюдений здесь имеют место относительные измерения: взаимно-корреляционная обработка принимаемых сигналов и излучаемого зондирующего колебания, мощность, частотно-временные и поляризационные параметры которого точно

известны, позволяет реализовать очень высокую точность оценок, в первую очередь доплеровского смещения и запаздывания, которая определяется, в основном, отношением сигнал/шум и ограничена лишь нестабильностью эталона. Поэтому, разрешающая способность современных астероидных радиолокаторов при определении расстояния и скорости небесных тел, а также при измерениях распределения мощности эхосигналов по их поверхности, достигает, соответственно, 10 м и 0,1 мм/с. Как следствие, эквивалентное угловое разрешение радиолокационных изображений околоземных астероидов составляет тысячные доли секунды дуги, что почти в сто раз выше разрешающей способности самых крупных оптических телескопов.

С другой стороны, по сравнению с космическими экспедициями, решающим преимуществом при исследовании множества малых тел Солнечной системы - астероидов, комет и метеороидов является то обстоятельство, что радиолокационная информация может быть получена максимально быстро, непосредственно вслед за открытием нового небесного тела, а обходится значительно дешевле. Послать же космические зонды к каждому из малых тел не представляется возможным, поскольку, например, общее количество только околоземных объектов, имеющих размеры от 0,5 км и выше, оценивается в 6 тысяч, а размеры 50 и более метров - в миллион, (Binzel, 1995).

Начало радиолокационных исследований ОЗО датируется 14 июнем 1968 года, когда две независимых группы американских ученых на локаторах в Хайстеке (Pettengill et al., 1969) и Голдстоуне (Goldstein, 1969) получили первые эхосигналы от астероида 1566 Икар, приблизившегося к Земле на 6,3 млн. км. По состоянию на середину 1997 года удалось провести радиолокацию 43 околоземных астероидов (Ostro, 1997b) и шести комет. Два обстоятельства препятствуют дальнейшему прогрессу этих исследований - недостаточный энергетический потенциал существующих систем радиолокационной астрономии и большая загруженность антенн основными программами, такими как управление космическими аппаратами

(Голдстоун) и радиоастрономические и ионосферные исследования (Аресибо).

Диссертация посвящена, з основном, изложению результатов, полученных в 1991-97 годах в процессе выполнения трёх циклов научно-исследовательских работ:

- первая вне США радиолокация малой планеты - астероида 4179 Таутатис, осуществлённая в 1992 году с помощью бис-татической системы Евпатория -» Эффельсберг (Германия) на волне 6 см;

- первая межконтинентальная радиолокация небесного тела -астероида 6489 Голевка, выполненная в 1995 году с помощью бистатической системы Голдстоун (США) -> Евпатория на волне 3,5 см;

- концепция проекта первого специализированного астеро-идно-кометного радиолокатора, предназначенного для планомерных и целенаправленных исследований практически всего, непрерывно увеличивающегося, множества известных околоземных объектов.

Первыми, кто поддержал наши предложения по радиолокации астероидов, сближающихся с Землёй, были директор Института теоретической астрономии РАН и Международного института проблем астероидной опасности (МИПАО) профессор А. Г. Сокольский и заведующий отделом радиолокационной астрономии ИРЭ д. ф.-м. н. О. Н. Ржига. Грант МИПАО позволил приобрести необходимое оборудование и оперативно привлечь к работе квалифицированных специалистов других институтов. Решающую роль в проведении российско-германского эксперимента 1992 года по радиолокации астероида 4179 Таутатис сыграли решения директора Боннского института радиоастрономии (МР1Ж.) профессора Рихарда Вилебинского и первого заместителя директора Российского НИИ космического приборостроения (РНИИКП) профессора В. А. Гришмановского. Неоценимую помощь при подготовке и настройке приёмной аппаратуры и проведении измерений оказал заведующий Евпаторийской лабораторией

ИРЭ к. ф.-м. н. А. С. Вышлов. Данные оптической и радиолокационной астрометрии, а также расчёты элементов орбит астероидов, сближающихся с Землёй, были переданы нам руководителем баллистической группы Лаборатории реактивного движения (Л5Ц) доктором Дональдом Юмэнсом. Все расчёты эфемерид и целеуказаний, а также уточнение орбит выполнялись параллельно в ,1РЬ и в лаборатории Центра управления космическими полетами (ЦУП) под руководством к. ф.-м. н. Ю. Ф. Колюки.

Идея межконтинентального эксперимента и проект радиолокации астероида 1991 Ж были энергично поддержаны научным руководителем астероидных исследований 1РЬ доктором Стивеном Остро, ставшим впоследствии ответственным исполнителем с американской стороны. Финансовая помощь была оказана Министерством науки и технической политики РФ по международному проекту Управления, возглавляемого В. В. Бойко. Успешное проведение измерений стало возможным благодаря квалифицированной помощи технического руководителя Евпаторийского центра дальней космической связи (ЦДКС), начальника лаборатории РНИИКП к. т. н. С. П. Игнатова и старшего научного сотрудника Института прикладной астрономии (ИПА РАН) к. т. н. В. В. Мардышкина. Имя "Голевка" предложено пер-вооткрывательницей астероида Элеанор Хелин (1РЬ) в честь трёх радиолокационных станций в Голдстоуне, Евпатории и Кашима (Япония), где удалось обнаружить эхосигналы. В 1996 году это имя было утверждено Международным астрономическим союзом.

Особо хотелось бы подчеркнуть доброжелательность и поддержку директора ИРЭ РАН академика Ю. В. Гуляева и почётного директора академика В. А. Котельникова.

Автор глубоко признателен и искренне благодарен всем сотрудникам ИРЭ, РНИИКП, ЦДКС, ИТА, НИИРадио, МРИН, .*РЬ, ЦУП, МИПАО, ИПА и других организаций, принимавшим участие в подготовке и проведении радиолокационных измерений, цифровой обработке эхосигналов и анализе экспериментальных данных.

2. Общая характеристика работы 2.1. Актуальность проблемы

Общепринято при обосновании актуальности исследований околоземных объектов (ОЗО) - астероидов и комет, периодически сближающихся с Землёй, а также крупных фрагментов метеорных потоков, указывать на опасность столкновения с ними (собирательный термин "Астероидная опасность"). Не преуменьшая важности обеспечения астероидной безопасности, следует подчеркнуть, что сравнительно недавно открытый мир ОЗО крайне интересен сам по себе, а его изучение позволяет глубже понять взаимосвязь Земли и ближайшего межпланетного пространства. Радиолокационные методы исследования ОЗО, занимая промежуточное положение между традиционными пассивными оптическими наблюдениями и космическими миссиями, имеют своё, чётко обозначенное и важное место. Лишь на основе измерений до-плеровского смещения частоты и запаздывания эхосигналов можно построить точную орбиту и дать надёжный многолетний прогноз движения нового астероида или кометы. Из-за чрезвычайно малых, порядка нескольких десятых долей секунды, угловых размеров ОЗО, только с помощью радиолокации, во время очередного сближения с Землёй удаётся "разглядеть" их строение и поверхность. Кроме того, радиолокационная информация, извлекаемая из эхосигналов, содержит также сведения об элементах вращения небесного тела, физических и минералогических характеристиках поверхностного слоя.

Сеть наземных и орбитальных средств наблюдения очень широка и состоит из сотен телескопов обсерваторий и астрономов-любителей. Космические исследования также весьма интенсивны - в 1987 году к околоземному астероиду 433 Эрос запущен специальный аппарат NEAR и планируются ещё ряд экспедиций. Что же касается радиолокационных исследований ОЗО, то их более широкому развитию препятствует отсутствие современных инструментов. Поэтому, наряду с про-

должением радиолокационных исследований с помощью существующих систем планетной радиолокации, весьма актуальным является также обоснование необходимости и возможностей создания первого специализированного и высокопроизводительного радиолокатора, в первую очередь предназначенного для исследования ОЗО, а также других малых тел Солнечной системы.

2.2. Цели диссертации

Основной целью диссертации является изложение результатов радиолокационных исследований астероида 4179 Тау-татис на волне 6 см с помощью бистатической системы Евпатория (излучение) -> Эффельсберг (приём) и астероида 6489 Голевка на волне 3,5 см с помощью системы Голдстоун -> Евпатория. Кроме того, основываясь на опыте, приобретённом в процессе подготовки и проведения радиолокационных экспериментов, хотелось дать своё видение проблемы в целом и попытаться обосновать необходимость создания первого специализированного астероидно-кометного радиолокатора, как основы дальнейших перспективных исследований.

2.3. Научная и практическая новизна работы

Радиолокация астероида Таутатис на волне 6 см, выполненная нами в декабре 1992 года, была первым вне США экспериментом по исследованию малого тела Солнечной системы. Обнаружены необычное, двойное строение Таутатиса и самая медленная из известных в то время для астероидов, скорость собственного вращения, измерены радиальная скорость, радиолокационное поперечное сечение и поляризационное отношение, проведены оценки радиолокационного альбедо, диэлектрической проницаемости и средней плотности поверхностного слоя.

В 1994 году высказана идея, а в июне 1995 года проведена первая межконтинентальная радиолокация небесного тела -астероида 6489 Голевка. Синтезирован полярный силуэт ас-

V V. 5 ^ ./,

тероида, измерены радиальная скорость и радиолокационное поперечное сечение, получены оценки альбедо и максимального и минимального размеров, высказаны предположения относительно морфологии поверхности.

Практическую ценность представляют разработанные нами методика и алгоритмы радиолокационных измерений динамических и физических параметров околоземных астероидов, а также результаты определения реальной чувствительности разнесённых радиолокационных систем. Разработанный в ЦУПе по нашему техническому заданию пакет программ для расчёта угловых и линейных координат ОЗО (Колюка и др., 1993) может быть использован в последующих радиолокационных экспериментах.

2.4. Достоверность основных результатов

В 1992 году радиолокация Таутатиса проводилась также в США на волнах 13 и 3,5 см. Результаты нашей доплеровской астрометрии имеют отклонение от расчётов, выполненных на основе орбиты, построенной по совокупной обработке всех радиолокационных и оптических измерений, в среднем на 0,3 Гц, или всего на 9 мм/сек по радиальной скорости. Поляризационное отношение, измеренное нами (~0,25) совпадает с измерениями на волне 3,5 см (Ostro, 1993). Сравнение экспериментальных данных показало также пропорциональное совпадение ширины спектра эхосигналов. Измерения радиолокационного поперечного сечения отличаются в среднем, в 1,5-2,0 раза, что объясняется, в основном, ошибками наведения и низкой точностью определения реальной чувствительности нашего приёмного тракта.

О достоверности радиолокационных измерений 1995 года можно судить, в частности, по почти полному совпадению двух спектров, приведеных в главе 5 на рис. 10, которые получены в один и тот же день на приёмных пунктах, разнесённых более чем на 8000 км. Результаты доплеровской астрометрии ложатся на уточнённую орбиту со стандартным отклонением 0,09 Гц, или всего 1,5 мм/сек по радиальной

скорости. Измеренное нами и в Кашима (Япония) радиолокационное поперечное сечение и определённые на его основе радиолокационное альбедо отличаются в среднем на 50%, что свидетельствует об отмеченной выше сравнительно низкой точности абсолютных измерений в разнесённой системе и необходимости совершенствования методики калибровки чувствительности и точности наведения, которая может быть основана, например, на использовании в качестве эталонов специальных высокоширотных спутников типа САЬЗРНЕЯЕ или ША