Действительно ли марсоходы подтвердили гравитацию Марса?

«Гравитация Марса» — это не число, а сложное поле. Самый последний из них удивительно детализирован, составлен до степени и порядка сферических гармоник 120 и описан 29 512 коэффициентами :

Эти карты сделаны с использованием орбитальных аппаратов (в данном случае трех орбитальных аппаратов), а не посадочных модулей. Посадочный модуль/марсоход может дать только одно местное гравитационное ускорение и направление, что никогда не будет хрестоматийным значением.

Данные орбитального аппарата также показывают, как гравитационное поле меняется со временем, когда масса перемещается между атмосферой и ледяными отложениями на полюсах.

Итак, нет, марсоходы мало что могут сделать, чтобы «подтвердить» гравитацию Марса. Если вы просто не хотите проверить, что это где-то рядом$3.7\,\mathrm{m/s^2}$. Наши марсианские орбитальные аппараты «подтвердили» гравитацию Марса или действительно измерили ее с очень высокой точностью, намного превышающей скудную способность наших марсоходов добавлять или уменьшать.

Действительно ли марсоход провел тест, чтобы подтвердить, что теоретическая гравитация действительно равна фактической измеренной гравитации?

Во-первых, какой смысл?

Во-вторых, конечно, делали, но не для того теста. Марсоходы были и остаются автономными. Им нужно было знать, где они находятся, без посторонней помощи. Для этого марсоходы оснащены инерциальными измерительными блоками (IMU). Одним из ключевых компонентов IMU является акселерометр.

В периоды, когда марсоход стоял на месте, акселерометр «измерял» ¹ силу тяжести. Этот вопрос требует скучной части этого чтения, величины этого вектора. Важной частью этих стационарных показаний было направление измеренного ускорения. Игнорируя отклонение вертикали , эти стационарные измерения дали указание на ориентацию вездехода ² .

Акселерометры также использовались во время движения роверов. Интеграция воспринятого ускорения, меньше гравитации, является важной частью инерциальной навигации. Например, см. Оценка отношения и положения на Марсоходах Исследования Марса .

¹ Я использовал слово «измерено» в кавычках, потому что вы не можете «измерить» гравитацию напрямую. Это одно из следствий принципа эквивалентности Эйнштейна.

² Отклонение вертикали на Марсе может быть огромным по земным меркам (0,3 градуса возле вершины горы Олимп). Однако даже это экстремальное значение довольно мало, а значение на местности, по которой перемещается вездеход, ничтожно. Можно было безопасно игнорировать отклонение вертикали.

Действительно ли марсоходы подтвердили гравитацию Марса?

Да, получилось (наконец-то, ура!)

tl;dr: Насколько я могу судить, данные здесь представляют собой наземные измерения ускорения с поверхности без использования сверхкрасочных (точных) космических измерений гравитационных сферических гармоник, описанных в этом ответе , даже для калибровки. Поэтому я думаю, что это независимое подтверждение силы гравитации Марса на поверхности.

Важно помнить (как указано в этом комментарии , что центробежные эффекты из-за вращения Марса также будут отображаться в данных акселерометра. Статья 2019 года в журнале Science (ниже) является платной, и в документе конференции 2016 года об этом нет упоминания. (ниже), но с$GM$= 4,282837E+13 м^3/с^2 ​​и$R_0$= 3396200 метров, а высота нахождения Curiosity у дна кратера Гейла около -4500 метров, ускорение только за счет силы тяжести должно быть около 3,723 м/с ² . Центробежные эффекты должны быть порядка -0,014 м/с ² , поэтому акселерометры должны показывать около 3,709 м/с ² . Проблема в том, что приведенные ниже числа находятся где-то между 3,723 и 3,709, так что придется подождать, чтобы решить эту проблему.

Как указано в ответе и комментариях @DavidHammen , у любопытства действительно есть по крайней мере один рабочий 3-осевой набор акселерометров. основная цель - измерить направление местной гравитационной вертикали относительно рамы марсохода.

Это используется в навигации, особенно при перемещении по значительному уклону, чтобы не перевернуться, и, возможно, в математике, чтобы связать изображения с различных камер с местной местностью.

Он также используется для правильного направления антенны Curiosity с высоким коэффициентом усиления непосредственно на Землю, когда он время от времени звонит домой без связи/ретрансляции через спутники на орбите Марса.

• Откуда Curiosity знает, как наводить и перемещать свою антенну с высоким коэффициентом усиления в режиме реального времени?
• Связывался ли когда-нибудь марсоход Curiosity напрямую с Землей через антенну с высоким коэффициентом усиления? Сила сигнала и скорость передачи данных?

Ученые Gizmodo раскрывают природу марсианской горы, используя гениальную технику с помощью марсохода Curiosity :

Ученые, работающие с марсоходом Curiosity, использовали часть его навигационного оборудования — акселерометр, подобный тому, что есть в вашем мобильном телефоне, — чтобы провести важные измерения загадочной геологии Марса.

Curiosity в настоящее время бродит вокруг горы Шарп, 5-километровой горы в центре кратера Гейла. Но неясно, является ли гора результатом того, что кратер когда-то был заполнен и потерял вещество из-за эрозии, или гора больше похожа на большую дюну из отложенного материала. У Curiosity нет научного инструмента для определения природы горы, но есть навигационное оборудование для измерения силы. Так что ученые подошли к делу творчески.

«Я понял, что вы можете загрузить приложение на свой телефон и не с большой точностью, но вы можете измерить [силу земного притяжения], потому что в вашем телефоне есть акселерометры», — сказал ведущий автор исследования Кевин Льюис, доцент Университета Джона Хопкинса. сказал Гизмодо. Он полагал, что может сделать то же самое с акселерометрами Curiosity и заняться интересной наукой.

Гравиметрия, или точное измерение изменений в локальном гравитационном поле, является полезным способом изучения горных пород под поверхностью, поскольку сила тяжести объекта увеличивается с увеличением его массы. Например, у «Аполлона-17» был гравиметрический эксперимент по изучению Луны, но у «Кьюриосити» нет гравиметра. Однако у него есть навигационная система, которая включает в себя гироскопы и акселерометр для измерения изменений скорости, ускорения и ориентации.

Навигационная система не так чувствительна, как гравиметр, но ученые справились. Они получили данные об ускорениях, испытываемых марсоходом, а затем скорректировали их, чтобы учесть такие вещи, как местоположение Curiosity на Марсе, а также потенциальное влияние температуры и высоты на оборудование.

Акселерометры, возможно, изначально не были предназначены для такого рода измерений. Они, вероятно, были хорошо откалиброваны, потому что НАСА не дурачится ( за исключением, может быть, фиолетовых лазеров с паршивыми/случайными профилями луча ).

Идеальная калибровка акселерометров при значениях менее 1 g является сложной задачей. Вы можете вращать их, чтобы использовать$\cos(\theta)$но несовершенные устройства не всегда могут полностью отклонить боковое ускорение. См. (в настоящее время без ответа) вопрос . Как был протестирован вертикальный сейсмометр (акселерометр) InSight в условиях более сильной гравитации Земли? К. В. Льюис, С. Ф. Петерс, К. А. Гонтер и научная группа MSL.

Вы можете прочитать о первых результатах в докладе конференции 47th Lunar and Planetary Science Conference (2016) First Gravity Traverse on Martian Surface from Curiosity Rover .

Существует (возможно) более подробная статья, опубликованная сегодня в журнале Science . Гравитационный траверс поверхности Марса указывает на низкую плотность коренных пород в кратере Гейла с некоторыми важными результатами, но, к сожалению, хотя миссия и исследователь в основном финансируются налогоплательщиками, нам снова приходится платить за прочитайте об этом. (т.е. с платным доступом).

Из материала конференции 2016 года:

Данные акселерометра RIMU предназначены в первую очередь для использования при определении крена и тангажа марсохода по относительным величинам трех осей при статическом ускорении g марсианского гравитационного поля. Однако относительная величина g будет меняться как в зависимости от положения (в результате изменений плотности недр), так и в зависимости от высоты, что может быть обнаружено с достаточной точностью. Несмотря на то, что необработанные данные акселерометра марсохода недостаточно чувствительны, мы разработали ряд процедур калибровки для учета, в первую очередь, 1) эффектов чувствительности к температуре и 2) небольших смещений между тремя акселерометрами, когда ровер не расположен горизонтально. Подобные процедуры коррекции были успешно продемонстрированы для данных IMU навигационного класса в экспериментах по наземной воздушной гравиметрии(4).

На рис. 1 показано уменьшение дисперсии, связанное с тремя самыми большими поправками к набору данных RIMU. Дополнительная коррекция применяется для устранения синусоидального сезонного тренда, который, вероятно, является результатом долгосрочного температурного гистерезиса. После применения этих поправок мы можем достичь относительной точности примерно 10 мГал (10-4 м/с ² ). Несмотря на грубость по современным наземным гравиметрическим стандартам, это примерно эквивалентно чувствительности, зарегистрированной для траверсного гравиметра Аполлона-17.

Рисунок 2 – Определение зависимости между ускорением свободного падения и высотой. а) Данные высоты ровера как функция Солнца. б) Калиброванные гравиметрические измерения в зависимости от солнечной долготы (Ls). Данные о высоте соответствуют одному марсианскому году, чтобы избежать сезонных тенденций. Падение g по мере подъема Curiosity на гору Шарп проще всего объяснить низкой плотностью подповерхностной поверхности горы Шарп (наилучшее соответствие – 1600 кг/м ² ).

ниже: «Измерения гравитации горы Шарп с использованием данных Curiosity. Графика: Кевин Льюис» от Gizmodo .