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自至少17世紀以來,天文學家們就對我們太陽系行星的軌道有了紮實的瞭解,當時約翰內斯·開普勒提出了他的行星運動定律。 但是,這些軌道的精細細節並不總是顯而易見的,特別是對於更遙遠的外行星而言,這歸因於地球與這些世界之間巨大的距離以及飛到其附近的航天器數量有限。
就在10或15年前,我們對巨行星木星和土星的位置的瞭解還只能精確到數百公里以內。 考慮到它們與地球的距離是數億甚至數十億公里,這種精確度對於任何天文學家在天空中定位行星來說已經足夠了。 但是,更好的軌道測量對於星際飛船來說是一大福音,它們經常利用單個行星的引力進行航向修正的 SlingShot 彈射機動,這種機動的誤差範圍很小。 並且諸如脈衝星計時等精密天文任務需要精確的行星圖表,以便校準地球觀測者在動態太陽系中的運動。
天文學家現在正在使用卡西尼號探測器(於 2004 年在土星周圍安家)來改進他們對這顆環狀行星的位置和運動的認識。 卡西尼號的日常無線電傳輸充當信標,因為該航天器執行其任務; 透過使用一系列強大的射電望遠鏡精確定位其在天空中的位置,並將該資訊與其他望遠鏡資料相結合,研究人員還可以非常準確地掌握土星在其繞太陽軌道上運動時的位置。 感謝卡西尼號,天文學家現在可以預測未來幾十年內土星的位置,誤差在幾公里之內。 來自加利福尼亞州帕薩迪納市的 NASA 噴氣推進實驗室 (JPL) 和國家射電天文臺的一組研究人員在天文學雜誌二月刊上發表了一份關於這項正在進行的卡西尼任務的報告。
行星位置和運動的數值描述,稱為星曆錶,是“天文學的基本工具之一,您希望隨著時間的推移逐步、持續地改進它”,JPL 天文學家和主要研究作者 Dayton Jones 說。 JPL 經常釋出動態星曆錶,或 DE,使用新資訊升級系統,很像軟體開發人員更新計算機的作業系統以新增新功能並提高穩定性。
由於雷達或雷射測距對地球衛星和內行星——水星、金星、地球和火星——表面的讀數,以及來自探索過地球鄰域的眾多軌道飛行器和著陸器的傳輸,它們的軌道已經得到很好的確定。 “我們對外行星的資料精度要低得多,”瓊斯說。 “藉助卡西尼號,我們首次有機會在土星軌道週期的大部分時間內非常精確地跟蹤它的運動。”
為了做到這一點,瓊斯和他的同事使用了甚長基線陣列 (VLBA),這是一個由 10 個射電望遠鏡組成的網路,從夏威夷延伸到美屬維爾京群島,在 2006 年至 2009 年間的八次場合中精確定位了卡西尼號在天空中的位置。 (另一組人在 2004 年做了同樣的事情。)來自 NASA 深空網路的無線電天線的補充資料(該網路跟蹤飛行中的眾多航天器)描述了卡西尼號相對於土星的位置。 將這兩個測量結果結合起來,可以得到土星在天空中可用的最佳位置——根據研究合著者 William Folkner(同樣來自 JPL)的說法,VLBA 資料比土星軌道次優測量結果好約 30 倍。
組合計算部分是透過使用 VLBA 鎖定卡西尼號,並將航天器的位置(以及土星的位置)與背景射電源(如類星體)的參考框架進行比較來實現的。 “VLBA 的測量精度非常好,以至於我們目前受到某些射電源位置的精度的限制,並且幾乎受到地球軌道不確定性的限制,就像受到土星軌道不確定性的限制一樣,”Folkner 說。
既然土星的位置越來越清晰,木星作為下一個軌道改進的目標也變得突出起來。 木星質量主導著外太陽系,因此更好地瞭解它的運動將帶來許多連鎖益處。 對於星曆錶的管理者來說幸運的是,NASA 正在準備一個名為朱諾號的木星軌道飛行器,它將充當類似的(如果壽命較短)無線電信標。 朱諾號計劃於 8 月開始為期五年的太陽系之旅,之後它將花費一年時間在太陽系最大的世界周圍繞幾十圈,以研究其結構並嘗試更好地約束其形成。