토성의 정확한 위치 측정을 통해 우주선의 항해 및 행성 연구, 기초 물리학에 끼친 공헌

 

그림> 토성 북극에서 바라본 토성과 위성들의 상상화.  Credit: B. Kent, A. Angelich, NRAO/AUI/NSF

 

 

토성의 정확한 위치 측정을 통해 우주선의 항해 및 행성 연구, 기초 물리학에 끼친 공헌

 

   과학자들이 국립 과학 재단의 초장기선 배열 전파 망원경 시스템(이하 VLBA)과 카시니 탐사선을 이용하여 토성과 그 위성들의 위치를 1.6킬로미터 오차범위 내에서 측정해냈다.

이번 업적은 태양계 역학에 대한 천문학자들의 지식 향상은 물론 행성간 우주선의 탐사 및 경로 조정과 기초 물리학에 도움이 될 것이다.

 

국립전파천문대(이하 NRAO)와 제트추진연구소(JPL)의 과학자들은 대륙을 가로지르는 너비로 배열된 VLBA를 이용하여 지난 십여년동안 토성궤도를 공전중인 카시니호의 전파 송신기로부터 송출된 신호를 받아 카시니호의 위치를 추적해왔다.

 

VLBA 관측을 통해 NASA의 깊은우주네트워크로부터 얻은 카시니호의 공전궤도에 대한 정보를 조합하여 과학자들은 토성과 토성의 여러 위성들에 대해 '무게중심'이라 불리는 질량 중심점의 위치를 가장 정확하게 결정해낼 수 있었다.
이번 연구결과는 시애틀에서 열린 전미천문학회에서 발표되었다.

 

이전에 지상에 위치한 가시광선 망원경으로 시도된 것보다 50배에서 100배의 정확성을 가진 이번 측정치는 VLBA의 강력한 분해능에 의해 획득할 수 있었다.

하와이에서부터 버지니아 아일랜드까지 골고루 퍼져 있는 10개의 안테나를 활용하는 VLBA는 마치 하나의 단일한 전파 망원경처럼 작동하면서 거의 지구 지름에 육박하는 가상의 전파망원경처럼 작동한다.
그 결과 토성계의 위치 및 그 예칙치에 대해 엄청난 개선을 보인 천문력이 도출되었다.

 

제트추진연구소의 데이톤 존스(Dayton Jones)의 설명은 다음과 같다.
"정밀한 천문력은 천문학의 기본 도구 중 하나입니다.
정밀한 천문력은 만드는 것은 외행성계와 내행성계 행성들의 공전궤도에 대한 이해를 하나로 통합하는데 있어 매우 중요한 발걸음이기도 합니다.
내행성계 행성들의 공전궤도에 대한 연관관계는 제대로 수립되어 있습니다. 

그러나 토성을 포함한 외행성계들으ㅐ 공전 궤도에 대한 정보는 외행성과 내행성간, 또는 외행성간 관계라는 측면에서 모자라는 부분이 많습니다.." 
  
정확도가 향상된 위치 정보는 과학자들이 행성간 탐사 우주선을 정확하게 조정하는데 직접적인 도움이 될 것으로 보인다.
게다가 이 정보는 우리 태양계 천체들의 질량 측정치를 더 정확하게 보완하는데도 도움이 될 것이다.
또한 정확하게 측정된 위치 정보는 언제 토성이나 토성의 고리가 특정 배경 별들의 전면을 지나칠지에 대한 예측치를 개선해주기도 한다.
토성이나 토성의 고리가 특정 별의 전면을 지나는 현상은 과학자들에게 다양한 실험기회를 제공하는 현상이기도 하다.

 

뿐만 아니라 기초 물리학의 연구에 있어서도 여러 측면에서 유익한 자료가 될 것이다.
새로운 위치 정보는 초고밀도의 중성자별이 빠르게 자전하는 현상인 펄서로부터 방출된 라디오파의 주기를 측정할 때 훨씬 향상된 측정치를 도출할 수 있도록 도움이 될 것이다.

이와 같은 측정 자료는 입자 물리학에서 여전히 풀리지 않는 수수께끼에 대한 답을 찾는데 도움을 줄 것이며 중성자 별 내부에 고밀도로 압축된 물질의 정확한 본성을 알아내는데도 도움이 될 것이다.

미리내 전역에 결쳐서 펼쳐져 있는 여러 펄서로부터 발생한 펄스들이 중력파를 통과하면서 겪게 되는 효과를 감지하려는 목표를 가진, 현재 진행중인 프로젝트 역시 토성 천문력의 개선에 의해 긍정적인 영향을 받을 것이며 전체 태양계 천문력의 개선에도 영향을 미칠 것이다.

카시니의 위치에 대한 VLBA의 측정치는 심지어 토성이 강력한 복사를 내뿜는 퀘이사 근처를 지날때, 겉보기 위치의 미묘한 변화를 통해 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 가장 혹독하게 테스트해 보려는 과학자들에게도 도움이 될 것이다.

 

과학자들은 토성과 그 위성들의 무게 중심점의 위치를 결정하기도 했다.
두 개의 천체가 서로 공전할 때, 이들은 하나의 무게 중심점을 중심으로 회전한다.
예를 들어 태양과 목성의 질량 중심점은 태양 표면 바로 바깥쪽이며, 지구와 달의 질량 중심점은 지구 표면 아래 1700킬로미터 지점이다.
토성과 토성의 가장 큰 위성인 타이탄의 질량 중심은 토성 중심으로부터 30킬로미터 벗어나는 지점이다.
토성과 현재까지 62개로 집계된 토성의 모든 위성들의 질량 중심점은 태양 주위로 타원형 궤도를 그리며 움직이고 있다.

 

또다른 연구에서는 VLBA를 이용하여 화성 궤도를 공전중인 우주선들과 1977년 발사되어 현재 지구로부터 190억 킬로미터 거리에 존재하는, 인간이 만든 물체중 가장 멀리 떨어져 있는 보이저호의 위치를 측정하고 있다.

2016년에는 NASA의 주노 우주선이 목성 궤도를 돌기 시작할 것이다.
존스는 이 우주선에도 동일한 기술을 적용하여 목성의 공전궤도에 대한 측정치 역시 보다 정밀하게 개선할 것이라고 말했다.

 

존스는 JPL의 윌리암 폴크너(William Folkner), 로버트 제이콥슨(Robert Jacobson), 크리스토퍼 제이콥스(Christopher Jacobs) 및 NRAO의 존 롬니(Jon Romney), 비벡 다완(Vivek Dhawan), 에드워드 포말론트(Edward Fomalont)와 함께 이번 작업을 수행하였다.

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 1월 8일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/vlba-measures-saturn-position

 

참고 : 토성과 토성의 여러 달에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
           https://big-crunch.tistory.com/12346948 

 

원문>

8 January 2015

Improved Saturn Positions Help Spacecraft Navigation, Planet Studies, Fundamental Physics

Scientists have used the National Science Foundation's Very Long Baseline Array (VLBA) radio-telescope system and NASA's Cassini spacecraft to measure the position of Saturn and its family of moons to within about a mile -- at a range of nearly a billion miles. This feat improves astronomers' knowledge of the dynamics of our Solar System and also benefits interplanetary spacecraft navigation and research on fundamental physics.

The researchers, from the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) and NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL), used the continent-wide VLBA to pinpoint the position of Cassini as it orbited Saturn over the past decade by receiving the signal from the spacecraft's radio transmitter. Combined with information about Cassini's orbit from NASA's Deep Space Network, the VLBA observations allowed the scientists to make the most accurate determinations yet of the position of the center of mass, called the barycenter, of Saturn and its numerous moons.

The scientists presented the results of their work at the American Astronomical Society's meeting in Seattle, Washington.

The measurement, some 50-100 times more precise than those provided by ground-based optical telescopes, was possible because of the VLBA's great resolving power, or ability to discern fine detail. With its 10 dish antennas spread from Hawaii to the Virgin Islands, the VLBA operates as a single radio telescope with a virtual size nearly equal to the Earth's diameter.

The result is a greatly improved ephemeris -- a table of predicted positions -- for the Saturnian system.

"An accurate ephemeris is one of the basic tools of astronomy, and this work is a great step toward tying together our understanding of the orbits of the outer planets and those of the inner planets," said Dayton Jones, of JPL, in Pasadena, California. "The orbits of the inner planets are well tied together, but those of the outer planets, including Saturn, have not been tied as well to each other or to those of the inner planets," Jones said.

The improved positional information will directly benefit scientists' ability to precisely navigate interplanetary spacecraft. In addition, it will help refine measurements of the masses of other Solar System objects. Also, the positional precision will improve predictions of when Saturn or its rings will pass in front of background stars, events that provide a variety of research opportunities.

Other benefits will come to studies of several aspects of fundamental physics. The new positional information will help researchers improve their precision when timing the radio pulses from pulsars -- spinning superdense neutron stars. Such timing will help answer unsolved questions about particle physics and the exact nature of the highly-compressed material inside a neutron star. ongoing projects that time the pulses from multiple pulsars spread across our Milky Way Galaxy in an attempt to detect the effects of passing gravitational waves also will benefit from the improved Saturn ephemeris, which also improves the overall Solar System ephemeris.

VLBA measurements of the position of Cassini have even helped scientists who seek to make ever-more-stringent tests of Albert Einstein's theory of General Relativity by observing small changes in the apparent positions of strongly-emitting quasars as Saturn passes near them on the sky.

The position the scientists determined is that of the barycenter -- the center of mass -- of Saturn and its moons. When two bodies are in orbit, they both rotate about the barycenter. For example, the barycenter of the Sun and Jupiter is just outside the surface of the Sun, and the barycenter of the Earth and our Moon is about 1700 kilometers beneath the Earth's surface. The barycenter of Saturn and its largest moon, Titan, is about 30 kilometers from the center of Saturn. The barycenter of Saturn and all its moons (some 62 at current count) is what follows an elliptical orbit around the Sun.

In other studies, the VLBA has been used to measure the positions of Mars-orbiting satellites, and Voyager 1, the most distant man-made object, now some 12 billion miles (19 billion kilometers) from Earth on a journey that began with its launch in 1977.

In 2016, NASA's Juno spacecraft will begin orbiting Jupiter. "We plan to use similar techniques on this spacecraft, and improve the orbit for Jupiter as well," Jones said.

Jones worked with William Folkner, Robert Jacobson, and Christopher Jacobs, all of JPL, and Jon Romney, Vivek Dhawan, and Edward Fomalont, of the NRAO.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc. JPL, a division of the California Institute of Technology, Pasadena, manages the Cassini mission and Deep Space Network for NASA.

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