Лаборатория эфемеридной астрономии

Руководитель

Заведующая лабораторией — Питьева Елена Владимировна, доктор физико-математических наук.

Основные задачи

Построение высокоточных теорий движения Солнца, Луны, планет и их естественных спутников
Эфемеридное сопровождение наблюдательных программ ИСЗ, КА, ПА
Поддержание и развитие соответствующего программного обеспечения

Тематика исследований

Уточнение динамических моделей и построение высокоточных теорий движения Солнца, Луны, планет (EPM) и их естественных спутников (совместно с ЛАЕ), уточнение параметров этих теорий и астрономических постоянных из радиотехнических, лазерных и оптических позиционных наблюдений планет, Луны, естественных и искусственных спутников больших планет. Среди улучшаемых параметров, в частности, массы естественных спутников и астероидов, параметры вращения планет и Луны, динамическое сжатие Солнца и планет, релятивистские параметры PPN-формализма, вековые изменения гравитационной постоянной и гелиоцентрической гравитационной постоянной, ограничения на присутствие темной материи в Солнечной системе и т.д.
Анализ потенциального вклада российского проекта лунного лазерного дальномера в повышение точности эфемерид Луны.
Эфемеридное сопровождение наблюдательных программ ИСЗ, КА, ПА на радиотелескопах ИПА РАН. Анализ и обработка полученных измерений с целью уточнения орбит наблюдаемых объектов.
Развитие программного обеспечения для решения задач эфемеридной и динамической астрономии на базе проблемно-ориентированного языка SLON и универсального программного комплекса ЭРА, сопровождение и развитие системы ЭРА-8.

Лаборатория активно сотрудничает с рядом зарубежных организаций: комиссиями МАС A1, A2, A3, A4, B4, C3, C4, F2, X2, JPL (Лаборатория реактивного движения, США), IMCCE (Институт механики и вычисления эфемерид, Франция), с кафедрой небесной механики Санкт-Петербургского Университета и участвует в проекте ILRS (International Laser Ranging Service).

Основные результаты работы

Построены (совместно с ЛАЕ) наиболее полные отечественные численные теории движения основных 22 спутников Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Параметры теорий уточнены по 70000 астрометрическим наблюдениям разного типа. В динамических моделях систем спутников учитывались их взаимные возмущения, возмущения от Солнца, планет и потенциалов центральных планет, а также приливные возмущения от Марса на его спутники.
Построена полуаналитическая теория орбитального движения Луны и определены основные члены в теории вращения Земли, включая прецессию и нутацию в тригонометрической форме методом общей планетной теории (GPT), без фиктивных вековых и смешенных членов относительно времени. Этот метод основывается на разделении быстрых и медленных угловых переменных как в уравнениях движении больших планет и Луны, так и в уравнениях вращения Земли. При этом объединенная система уравнений движения больших планет и Луны и уравнений вращения Земли сводится с помощью ряда нормализующих преобразований переменных к автономной вековой системе, решение которой можно получить в тригонометрической форме. Метод основывается на идее введения промежуточной квазипериодической орбиты, обобщающей вариационную кривую Хилла в теории движения Луны, на разделении коротко и долгопериодических переменных и на применении нормализующего преобразования Биркгофа для приведения динамической системы уравнений к интегрируемому виду. Построена вековая система с правыми частями, представленными в аналитическом виде, и получено решение вековой системы в полуаналитической форме.
Построена серия высокоточных численных эфемерид планет и Луны EPM (EPM2004, EPM2008, EPM2011, EPM2013, EPM2015, EPM2017) совместным интегрированием уравнений движения планет, Луны, Солнца, крупнейших астероидов и транснептуновых объектов (ТНО), физической либрации Луны, с учетом возмущений от сжатия Солнца и колец малых астероидов и ТНО. Обновлены динамические модели орбитально-вращательного движения Луны (запаздывающий аргумент в приливных эффектах, потенциал Земли, взаимодействие фигуры Луны с точечными массами Юпитера и Венеры) и планет (двухмерная модель кольца малых астероидов и одномерная - кольца ТНО) и набора постоянных. Использовано более точное, и без ограничений числа тел интегрирование, а также расширенная база данных, включающая 18700 лазерных наблюдений Луны (1970–2014 гг.) и более 800000 радарных и оптических планетных наблюдений разных типов (1913–2014 гг.), в том числе российские наблюдения Меркурия, Венеры, Марса 1961–1995 гг. Российские радарные наблюдения планет (1962–1995 гг.) доступны на сайте ИПА РАН (англ.). На основе эфемерид ЕРМ были получены следующие результаты:
- масса астероидов главного пояса, включая 301 большой астероид и двумерное астероидное кольцо составляет
  M_belt = (12.30 ± 0.16) × 10^-10 M_Sun (3σ);
- масса пояса ТНО, включая систему Плутона, 30 наибольших ТНО и кольца ТНО с радиусом 43 ае составляет
  M_TNO = (639±150) × 10^-10 M_Sun (3σ);
- по РСДБ наблюдениям КА около планет определены углы поворота между эфемеридами EPM2015 и системой ICRF: ε_x = 0.00 ± 0.06 mas, ε_y = 0.00 ± 0.04 mas, ε_z = 0.00 ± 0.04 mas;
- определены значения релятивистских ППН параметров: β = 0.99998 ± 0.00003 и γ = 1.000040 ± 0.00006;
- впервые было получено значение изменения гелиоцентрической гравитационной постоянной: GM_Sun = (-6.3 ± 4.3) × 10^-14 в год (3σ). Из полученного изменения GM_Sun и с учетом максимальных пределов возможного изменения массы Солнца M_Sun найдены более жесткие ограничения на изменение гравитационной постоянной: с вероятностью 95% годовое значение Ġ/G попадает в интервал [-7.0⋅10^-14, 7.8⋅10^-14]
- найдены ограничения на наличие темной материи в Солнечной системе: на расстоянии орбиты Сатурна плотность ρdm ниже, чем 1.1⋅10^-20 г/см³. Масса темной материи в сфере внутри орбиты Сатурна, даже с учетом ее возможной концентрации, должна быть меньше, чем 7.9⋅10^-11 M_Sun.
- анализ последних версий лунных эфемерид DE, INPOP и EPM-ERA показывает, что разница в геоцентрических координатах Луны не превышает 10–15 метров, что приводит к различию в положении КА ГЛОНАСС, не превышающей 1 мм на длительных интервалах времени.
Эфемериды планет и Луны EPM (ЕРМ2004, ЕРМ2008, ЕРМ2011, ЕРМ2011/m, EPM2015, EPM2017) вместе с соответствующими разностями TT–TDB, а также эфемериды семи дополнительных объектов, условно названных планетами-карликами: Ceres, Pallas, Vesta, Eris, Haumea, Makemake, Sedna, доступны для внешних пользователей на FTP-сервере ИПА РАН.

Для версий ЕРМ2011/m и более поздних открыт доступ к лунной либрации на том же интервале, что и весь интервал указанных эфемерид (1787–2214 гг.). Чебышевские разложения для доступа к положениям (координаты и скорости) объектов представлены в бинарном, текстовом формате, а также в унифицированном SPK/PCK формате, выбранным международной рабочей группой «Working Group on Standardizing Access to Ephemerides and File Format Specification» для доступа к эфемеридам JPL (США), IMCCE (Франция) и ИПА РАН.
Создана новая восьмая версия программного комплекса ЭРА (ЭРА-8), в течение десятилетий использующегося в ИПА РАН для решения задач эфемеридной астрономии, на программной платформе Racket с использованием языков Racket и C. В частности, обновлены (с сохранением совместимости) средства обработки наблюдений, численного интегрирования, уточнения параметров моделей, работы с таблицами, построения графиков. Разработанной системе присущи: переносимость (Windows/Linux, 32/64 бит), улучшенные средства отладки и диагностики, документированный программный код. Модернизация позволила получить новые научные результаты: уточнение орбиты Плутона по ряду ранее не использовавшихся оптических наблюдений 1930-2013 гг., уточнение орбиты Сатурна по наблюдениям КА Cassini 2004–2014 гг., уточнение орбиты Меркурия по наблюдениям КА MESSENGER 2004–2014 гг., численное интегрирование разности шкал времени TT - TDB совместно с телами Солнечной системы. Версия ЭРА-8 используется при подготовке эфемеридных изданий ИПА РАН, начиная с издания 2016 г., а также для подготовки эфемерид КА ГЛОНАСС, в рамках ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 гг».
Разработано веб-приложение для расчёта эфемерид планет и спутников через браузер. Предоставляется возможность расчёта эфемерид планет и их естественных спутников. Имеется возможность выбора различных планетных эфемерид семейств EPM, DE, INPOP; для эфемерид спутников доступен выбор между аналитическими теориями или численными, разработанными в ИПА. Предоставляется широкий набор опций для вывода результатов в различном представлении: α и δ в различных форматах, или декартовы координаты в различных единицах измерения; настраиваемые параметры форматирования и т.д. Ссылки на соответствующие публикации даны в заголовках табличных эфемерид, генерируемых на сайте.