Gästföreläsning i Astronomisk rymdforskning 16 oktober 2012 Albert Nummelin ([email protected]) Grundbegrepp •
AE= astronomisk enhet = avstånd solen-­‐jorden •
Apogeum/perigeum = punkt i omloppsbana längst från/närmast jorden •
Aphelium/perihelim = motsvarande, fast för solen Solsystemet •
en stjärna, solen •
åtta planeter •
ett antal dvärgplaneter •
ett antal satelliter, månar •
oräkneliga småplaneter, asteroider •
kometer •
meteoroider (sten och grus), stoft Stjärna = sfärisk himlakropp som består av plasma (elektrisk laddad gas) och som producerar ljus och annan strålning från kärnreaktioner. Planeter •
Kretsar kring sin stjärna •
Alstrar inte något eget ljus, utan reflekterar stjärnans ljus •
Jordliknande (steniga) – Merkurius – Venus – Jorden – Mars •
Gasjättar (jupiterlika, jovianska) – Jupiter – Saturnus – Uranus – Neptunus •
IAU definierade 2006 att en planet – är en himlakropp i omloppsbana runt solen – har tillräcklig massa för att bli sfärisk – har rensat området kring sin omloppsbana från småplaneter, ”skräp” Bakgrund: Upptäckten av Eris januari 2005. 27% mer massiv än Pluto och nästan 3 ggr mer avlägsen. Benämndes till en början Xena och var då solsystemets tionde planet. Ju högre massa en himlakropp har, desto högre är dess inre tryck och desto rundare form antar den. Maximalt rund form får den vid ”hydrostatisk jämvikt”. Mindre objekt, där gravitationen är mindre dominant, får ”potatisform”. Dvärgplaneter •
IAU har fastställt att en dvärgplanet 1. är en himlakropp i omloppsbana runt solen 2. som har tillräcklig massa för att bli sfärisk 3. och som inte har rensat området kring sin omloppsbana från småplaneter 4. och inte är en satellit (måne) •
Dessutom finns undergruppen plutoider = dvärgplaneter utanför Neptunus bana •
Ceres, Pluto, Haumea, Makemake, Eris, eventuellt ytterligare objekt Plutos öde •
När dess måne Charon upptäcktes 1978 kunde massan bestämmas noggrannare – 1/20 av Merkurius – 1/5 av jordens måne (men 10x största asteroiden, Ceres) •
Mer excentrisk (icke-­‐cirkulär) bana än övriga åtta planeter (0.25 mot jordens 0.02) – Var under 1990-­‐talet innanför neptunus bana •
Högre (17°) inklination (banlutning) •
Upptäckten av ett antal liknande objekt bortom Neptunus på 1990-­‐talet •
Pluto har alltså inte rensat sin omloppsbana Småplaneter (minor planets) •
Flera familjer av objekt med lite olika egenskaper – Asteroider Traditionella steniga objekt mellan mars och Jupiter – Trojanska objekt •
Småplaneter i stabil bana runt en planet – Transneptunska objekt •
Avlägsna objekt Kometer och asteroider detaljstuderas med olika teknik. Kometgasen avger emissionsspektra, medan asteroider kan studeras i reflekterat solljus. Därför har dessa grupper av småplaneter traditionellt varit åtskiljda inom astronomin. Asteroider (= ”stjärnliknande”) •
En liten himlakropp rik på sten och metaller, alternativt kolrika •
De flesta har en omloppsbana mellan Mars och Jupiters •
Den största, Ceres, har en diameter 1/3 av månens (975 km) Kometer •
Små objekt som består av en stor del frusna gaser och stoft •
Vatten, kolmonoxid, koldixid, ammoniak, kolföreningar •
Stor mängd organiska ämnen (”CHON”) •
Avdunstar vid passage genom inre solsystemet och bildar en svans genom strålningstrycket från solen; Svansen därför alltid riktad bort från solen. •
Långperiodiska – aphelium 10 000 AE •
Kortperiodiska – aphelium bland eller strax utanför de yttre planeterna Oorts moln •
Hypotetisk reservoar av långperiodiska kometer i solsystemets allra yttersta del •
Sfäriskt skal, 50 000 AE från solen •
Löst bundet till solen och påverkas lätt av yttre gravitationella störningar •
Antas bestå av material utslungat från inre delar av solsystemet, alternativt utbyte av material mellan stjärnor som bildats samtidigt Resonanser •
1866 upptäckte Daniel Kirkwood att på vissa avstånd från solen i asteroidbältet fanns inga asteroider •
Kirkwood kunde visa att dessa avstånd motsvarade Jupiters resonanser (Kirkwood gaps) •
Asteroider på dessa avstånd får inga stabila banor och drivs utåt eller inåt •
Resonanser definierar asteroidbältets yttre och inre gränser Lagrangepunkter •
Fem teoretiska punkter i rymden runt två kretsande himlakroppar där kraftbalans råder •
En satellit som lämnas i en lagrangepunkt kan förbli där på konstant avstånd från de två himlakropparna (t ex jorden-­‐månen eller jorden-­‐solen). L4 & L5 stabilast. •
Det är möjligt för en rymdfarkost att kretsa kring en Lagrangepunkt trots att ingen massa finns där; Ex: Genesissonden Utforskning av solsystemet •
Fjärranalys – Spektroskopi (analys av strålningen samansättning) – Fotometri (analys av strålningens intensitet) – Astrometri (analys av himlakropparnas positioner) •
In situ – Robotar – Bemannade – Återföra prover till jorden •
Interplanetariskt material åtkomligt på jorden – Meteoriter Planetskydd = ”Planetary protection” •
Hanterar huvudsakligen problemet med framåtkontamination, att biologiskt material från jorden kommer i kontakt med en annan planetyta via en rymdsond, men även det omvända (bakåtkontamination) •
Försvårar framtida undersökningar •
Åtgärderna som krävs (renhetsgraden) beror på – typen av mission •
förbiflygning, omloppsbana, landning – planeten •
Månen och Merkurius kräver inga åtgärder Keplers lagar 1. En planet rör sig längs en ellips med solen i en av brännpunkterna 2. En linje mellan planeten och solen sveper över en viss given yta på konstant tid 3. Kuben på halvaxeln genom kvadraten på omloppstiden är samma för alla planeter Newtons gravitationslag •
Keplers lagar beskriver hur planeterna rör sig, men ingenting om varför •
Newton upptäckte att alla objekt med massa påverkar varandra genom ömsesidig attraktion, kallad gravitation •
Gravitationskraften mellan solen och jorden är proportionell mot deras respektive massor •
Ett föremål som inte rör sig med konstant fart och i en rät linje måste påverkas av en kraft Ett fallande äpple följer samma lag som styr månens bana runt jorden Omloppsbanor •
Alla kroppar i solsystemet rör sig i omloppsbana runt solen •
Såvida inte en kropp är nära en planet dominerar solens påverkan •
Samma lagar gäller oavsett om en kropp rör sig kring solen, jorden, eller något annat objekt i solsystemet •
Om raketmotorn tänds vid en punkt i en cirkulär omloppsbana runt jorden kommer farkosten att återvända till samma punkt ett varv senare, med följande skillnad: •
Om farten ökas kommer en elliptisk bana skapas med högre apogeum på motsatt sida jorden •
Om farten minskas kommer en elliptisk bana skapas med lägre perigeum på motsatt sida jorden Flykthastighet •
Flykthastigheten är den fart en kropp måste ha för att helt lämna en himlakropp (t ex en planet) utan ytterligare framdrivning •
Den fart som krävs för att etablera en parabolisk (ej sluten) bana •
Flykthastigheten minskar med ökande avstånd från planeten •
Om ett föremål släpps från oändlig höjd mot en planet, motsvarar den fart föremålet har i varje ögonblick flykthastigheten på det aktuella avståndet •
På jordytan är flykthastigheten från jorden 11.2 km/s •
Flykthastigheten från solen (i jordens omgivning) är 42.1 km/s; detta är den fart en farkost måste ges för att kunna lämna solsystemet (43.6 km/s inberäknat jordens påverkan) Delta-­‐V •
Hastighetsförändringen, delta-­‐V, avgör bränsleförbrukningen då den åstadkoms via raketpådrag •
Jordens rotationshastighet vid ekvatorn är 465 m/s (västàöst) •
Om man bortser från luftmotstånd och övriga förluster krävs ett delta-­‐V på 8.19 km/s för att nå en 500 km cirkulär omloppsbana •
I praktiken krävs för en start österut från Cape Canaveral 9.3-­‐9.6 km/s (beroende på banans inklination) •
För övergång till typisk transportbana mot månen krävs ytterligare 3.1-­‐3.2 km/s Månresa (Apollo-­‐style) 1. Uppskjutning 2. Parkeringsbana (runt jorden) 3. TLI (Trans-­‐Lunar injection) 4. Transportbana 5. Bankorrektioner 6. LOI (Lunar orbit injection) 7. Parkeringsbana 8. TEI (Trans-­‐Earth injection) 9. Transportbana 10. EOI (Earth orbit injection) 11. Återinträde och landning •
Genom att utnyttja parkeringsbana före TLI istället för att starta transportbanan från jordytan (direktbana) fås större frihet att bestämma starttidpunkten. Dessutom får besättningen en möjlighet att kontrollera systemen ombord före avfärd. Båda metoderna har använts. •
Syftet med TLI är att etablera en bana med apogeum nära månens omloppsbana •
Tidpunkten för TLI väljs så att månen befinner sig vid transportbanans apogeum samtidigt med rymdfarkosten •
Ju längre motorpådrag vid TLI, desto avlägsnare apogeum och desto kortare restid •
Med apogeum exakt vid månbanan nlir restiden 5 dagar (Apollo 11: 3 dagar) •
Smart-­‐1, en svenskbyggd månsond uppskjuten med en Ariane 5 sept. 2003, använde sig av en effektiv men svag elektromagnetisk motor för att justera banan från en geostationär jordbana (36 000 km) till månbana. Detta tog 14 månader och förbrukade endast 60 kg bränsle! Hohmannbanan •
En elliptisk bana som förbinder två cirkulära banor, en yttre och en inre •
Kräver två banjusteringar •
Låg energiförbrukning •
Kräver att båda planeter är inbördes rätt placerade (startfönster) •
Erforderlig restid är halva yttre planetens omloppstid (kan bli orimligt lång) •
Används för att transportera satelliter från låg parkeringsbana till geostationär bana Interplanetariska resor •
För att nå de yttre planeterna måste rymdsonden ges en hastighet relativt solen som är större än jordens •
För att nå en av de inre planeterna måste tvärtom hastigheten relativt solen minskas •
Det kan därföt vara nästan lika energikrävande att nå Merkurius som Jupiter. •
Vid färd mot en yttre planet bromsar solens gravitation rymdsonden så att den går långsammare (Keplers 2:a lag) •
När sonden når den yttre planeten är hastigheten lägre än planetens och sonden måste ges ett hastighetstillskott för att gå in i bana runt planeten •
Om hastighetstillskottet ges vid starten istället förkortas restiden (mindre hastighetskorrektion vid ankomsten) •
Omvänt gäller för rymdsonder till inre planeter– solen accelererar sonden till en hastighet högre än den inre planetens och sonden måste bromsas Gravitationsslungan •
Överför rörelsemängd (hastighet) från planet till rymdsond vid nära förbiflygning •
Hastigheten relativt solen är högre efter förbiflygningen, men konstant relativt planeten (energins bevarande) •
•
•
Möjliggör ändring av fart och riktning utan att förbruka bränsle Mängden erforderligt startbränsle ökar exponentiellt med den hastighetsförändring som krävs under färden Används alltid när målet är utanför mars bana. Klassiskt exempel: Voyager Annat klassiskt exempel med flera gravitationsslungor: Galileo
