[论文解读] Test for consistence of a flyby anomaly simulation with the observed Doppler residuals for the Messenger flybys of Mercury

Hans-Juergen Busack|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2010

Planetary Science and Exploration参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文测试了先前在地球飞越中经过验证的实证飞越异常模型的一致性，将其应用于2008年NASA信使号探测器飞越水星期间的多普勒残差数据。使用从地球飞越数据中得出的相同参数，该模型成功再现了两次水星飞越的观测多普勒残差，表明该异常可能反映真实的物理效应，尽管其确认仍需等待未来信使号轨道的更高精度重力数据。

ABSTRACT

In 2007, the observed Earth flyby anomalies have been successfully simulated using an empirical formula (H. J. Busack, 2007). This simulation has led to the prediction of anomaly values, to be expected for the Rosetta flybys of Mars in 2007, and following twice of Earth in 2007 and 2009. While the data for the Mars flyby are yet under evaluation, the predictions of the formula for the last two Earth flybys of Rosetta are fully confirmed now. This is remarkable, since an alternatively proposed formula (Anderson et al., 2007) failed to predict the correct values for the recent flybys. For the Mercury flybys of the Messenger spacecraft, this alternative formula predicts a null result. In the meantime, Doppler residuals of these flybys on 14.01.2008 and 06.10.2008 are availabel. On both flybys, significant residuals were observed, using gravity data derived by Mariner 10 on Mercury (D. E. Smith et al., 2009). According to the authors, these residuals cannot be eliminated totally by adjustment of the second degree gravity coefficients and by assumption of irregular mass concentrations of acceptable value on Mercury. In this investigation, I adapt the output of the simulation program to compare with the measured Doppler residuals of the Mercury flybys without changing the formerly derived parameters for the Earth flybys. The simulation with these parameters leads to Doppler residuals of the Mercury flybys compatible with the measured curves. Additionally, the expected flyby anomalies are calculated. Since the gravity field of Mercury is not explored yet with sufficient accuracy, this result cannot be falsified or confirmed until the evaluation of the coming Mercury orbits of Messenger will be finished. If the proposed empirical formula would be confirmed then again, this would be a strong indication of an underlying physical reality.

研究动机与目标

• 评估先前在地球飞越中经过验证的实证飞越异常模型，是否能够解释信使号在水星飞越期间观测到的多普勒残差。
• 确定从地球飞越中得出的相同模型参数，是否能够再现水星重力场中的观测异常。
• 评估水星处观测到的多普勒残差是否无需调整重力场系数或质量集中模型即可得到解释。
• 通过与安德森等人（2007年）提出的模型（该模型预测水星飞越结果为零）对比，检验实证公式的稳健性。
• 通过将模拟结果与真实数据对比，提供证据以支持或否定飞越异常的物理真实性。

提出的方法

• 将先前已验证的地球飞越异常模拟程序的输出结果，调整用于模拟信使号水星飞越的多普勒残差。
• 使用与地球飞越相同的实证公式和参数，未针对水星进行重新调参。
• 使用“水手10号”任务的重力场数据，因为当时信使号的重力场数据尚不够精确。
• 将模拟得到的多普勒残差与2008年1月14日和10月6日飞越的实测残差直接对比。
• 评估是否无需调整二阶重力系数或水星上合理的质量集中模型，即可用该模型解释残差。
• 通过检查该模型在两次飞越中与实测数据的一致性，评估其预测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用在地球飞越中校准的实证飞越异常模型，再现信使号在水星飞越期间观测到的多普勒残差？
• RQ2 当使用从地球得出的参数时，模拟得到的多普勒残差是否与2008年1月14日和10月6日水星飞越的实测残差相匹配？
• RQ3 水星处观测到的异常是否与模型一致，还是需要对重力场或质量分布进行额外调整？
• RQ4 该模型在水星飞越中的成功是否与安德森等人（2007年）公式相矛盾，后者预测水星飞越结果为零？
• RQ5 该模型在地球和水星飞越中的一致性，是否表明飞越异常背后存在更深层次的物理机制？

主要发现

• 在地球飞越中校准的实证飞越异常模型，无需调整参数，即可成功再现信使号两次水星飞越的观测多普勒残差。
• 使用与地球飞越相同的公式和参数，模拟得到的残差与2008年1月14日和10月6日飞越的实测多普勒曲线相容。
• 该模型对水星飞越的预测与安德森等人（2007年）的公式不一致，后者预测水星飞越的异常为零。
• 观测到的残差无法通过调整二阶重力系数或合理假设的水星质量集中模型完全解释。
• 该模型在不同天体飞越中的一致性表明，飞越异常可能反映真实的物理现象，尽管其最终确认仍需等待更高精度的信使号重力数据。
• 结果加强了实证公式物理相关性的证据，但其最终验证仍需依赖未来高精度轨道数据的检验。