Астрономический вестник, 2020, T. 54, № 6, стр. 537-541

Результаты астрометрических наблюдений далеких спутников Юпитера на новом телескопе Кавказской горной обсерватории ГАИШ МГУ

Н. В. Емельянов ab*, Б. С. Сафонов a, О. В. Возякова a, А. Ю. Тушканова a

a Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга
Москва, Россия

b Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides – Observatoire de Paris
75014 Paris, UMR 8028 du CNRS, 77 avenue Denfert-Rochereau, France

* E-mail: emelia@sai.msu.ru

Поступила в редакцию 23.10.2019
После доработки 04.06.2020
Принята к публикации 13.07.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Пополнение базы данных наблюдений далеких спутников планет всегда полезно, поскольку точность моделей движения и эфемерид зависит не только от точности наблюдений. Точность улучшается с ростом интервала времени наблюдений. Поэтому наблюдения, выполненные даже с прежней точностью, оказываются востребованными. На Кавказской горной обсерватории (КГО) Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова на новом телескопе с диаметром зеркала 2.5 м в 2017 г. были проведены астрометрические наблюдения двух далеких спутников Юпитера. Получены 6 положений спутника J6 (Гималия) и 27 положений спутника J8 (Пасифе). Среднеквадратичные величины отклонений от эфемерид по всем 33 наблюдениям двух спутников составили: 0.085″ по прямому восхождению и 0.064″ по склонению. Такая точность соответствует современному уровню наземных наблюдений. Наши уточнения орбит для эфемеридного сервера MULTI-SAT по всем имеющимся наблюдениям показали, что средневзвешенные среднеквадратичные величины угловых отклонений измеренных положений от вычисленных для спутников J6 (Гималия) и J8 (Пасифе) составляют 0.22″. При этом точность эфемерид оценивается в сервере MULTI-SAT для 2017 г. величиной 0.008″ для J6 (Гималия) и 0.05″ для J8 (Пасифе). Новые наблюдательные данные будут полезны для уточнения моделей движения далеких спутников Юпитера.

Ключевые слова: спутники Юпитера, наблюдения, астрометрия

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в моделировании динамики естественных спутников планет обеспечивается точными астрометрическими наблюдениями, выполненными в течение длительного промежутка времени. Астрометрические данные необходимы, чтобы уточнить параметры движения и получить новые, более точные сведения для описания эволюции орбит и выяснения происхождения спутников. Точность модели движения спутника планеты определяется не только точностью наблюдений, но также длительностью интервала времени наблюдений. Поэтому наблюдения нужно продолжать даже с прежней точностью. В базах данных накоплено уже много астрометрических наблюдений далеких спутников Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Однако наблюдения продолжаются, наблюдатели работают, базы данных пополняются. В частности, в 2014–2018 гг. на 11 обсерваториях мира получены 1986 астрометрических положений шести далеких спутников Юпитера: J6 (Гималия), J7 (Элара), J8 (Пасифе), J9 (Синопе), J10 (Лиситея), J11 (Карме).

Наблюдения далеких спутников планет публикуются, в основном, в Циркулярах центра малых планет (Minor Planet Circulars). Свободный доступ к этим публикациям осуществляется через Интернет по адресу https://www.minorplanetcenter.net/iau/ECS/MPCArchive/MPCArchive_TBL.html Наблюдения всех естественных спутников собираются в базе данных NSDB (Arlot, Emelyanov, 2009), доступной через Интернет по адресу http://www.sai.msu.ru/neb/nss/html/obspos/index.html

В Государственном астрономическом институте им. П.К. Штернберга Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова на Кавказской горной обсерватории (КГО ГАИШ МГУ) недавно введен в эксплуатацию новый телескоп с диаметром зеркала 2.5 м. В 2017 г. на новом телескопе были проведены астрометрические наблюдения далеких спутников Юпитера. Мотивации проведения наблюдений, их обработки и подготовки результатов к публикации были следующими.

1. Следовало продемонстрировать возможности нового телескопа КГО ГАИШ МГУ.

2. Астрометрическая точность результатов оказалась высокой.

3. Новые наблюдения являются достойным вкладом в мировую базу данных.

Проведены наблюдения спутников J6 (Гималия), J8 (Пасифе). Получены 33 астрометрических положения спутников.

В настоящем сообщении дается описание средств и методов наблюдений, метода астрометрической обработки, приводятся результаты наблюдений и дается анализ точности наблюдений при сравнении с эфемеридами.

ПАРАМЕТРЫ НАБЛЮДАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ

Наблюдения выполнялись на основном телескопе Кавказской горной обсерватории (КГО), имеющем диаметр апертуры 2.5 м. Диаметр тени оправы вторичного зеркала 1.0 м (Потанин и др., 2017). Корректор широкого поля, предусмотренный конструкцией телескопа, в данных наблюдениях не применялся.

В качестве фотоприемника использовался ПЗС-детектор с азотным охлаждением производства Niels Bohr Institute, аналогичный приемникам, описанным в работе (Andersen, 1998). Детектор постоянно установлен в фокусе Кассегрена и представляет собой мозаику из двух чипов E2V CCD44-82 размерами 2048 × 4104 пкс.

Линейные размеры пикселя 15 мкм, угловой масштаб камеры 0.15′′/пкс. Чипы составлены по длинной стороне, образуя квадратное поле зрения размерами 10.46′ × 10.26′.

Шум считывания при рабочей температуре составляет 6.4 e.

Регистрация выполнялась в фильтрах r SDSS и R Bessel, кривые пропускания приведены в Интернет по адресу http://lnfm1.sai.msu.ru/kgo/instruments/filters/. Во время наблюдений Юпитер находился на высотах от 8° до 42°. Экспозиция во всех случаях была 300 с.

АСТРОМЕТРИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ И ПОЛУЧЕНИЕ КООРДИНАТ СПУТНИКОВ

Обработка состояла из следующих этапов.

1. Вычитание смещения, вносимого на этапе считывания в аналогово-цифровом преобразователе ПЗС-матрицы. Для оценки величины смещения в горизонтальном регистре ПЗС-матрицы предусмотрены по 50 дополнительных пикселей до и после области, соответствующей светочувствительной части детектора. Эти пиксели не содержат фотоэлектронов. По среднему уровню сигнала в них оценивается величина смещения для данной строки, которая затем вычитается из каждого ее пикселя.

2. Коррекция нелинейности. Остаточная нелинейность составляет менее 0.1%.

3. Базовая редукция для компенсации свойств и дефектов ПЗС-матрицы посредством умножения результирующего изображения на выравнивающую матрицу, вычисленную из изображений плоского поля и темнового тока.

4. Поиск звезд. Для финальных этапов астрометрической редукции изображения с целью получения экваториальных координат объектов в качестве опорного каталога был выбран каталог Gaia DR2 (Gaia Collaboration, 2018). Алгоритм, использованный для поиска звезд, основывался на анализе гистограмм нескольких отдельных фрагментов кадра, выбранных с зонами пересечения. Он позволил идентифицировать в кадре количество объектов, превышающее количество объектов каталога Gaia DR2 в поле зрения кадра (10.46′ × 10.26′).

5. Редукция влияния Юпитера. Выравнивающая матрица, компенсирующая градиент неравномерного фона, вычислялся по обработке отсчетов максимально приближенной к обрабатываемому объекту области, не содержащей других объектов.

6. Расчет координат центров объектов в системе матрицы. Для аппроксимации функции рассеяния точки объектов использовалась модель двумерного распределения Гаусса с пятью постоянными, вычисляемыми методом наименьших квадратов. В данной серии наблюдений метод обеспечил сходимость итераций для всех объектов, входящих в опорный каталог Gaia DR2 в поле зрения кадра.

7. Отождествление объектов с каталогом. Получение экваториальных координат спутника. Количество опорных объектов, соответствующее по каталогу полю зрения изображения – от сотни до двухсот звезд. Для получения постоянных кадра методом наименьших квадратов на основании данных опорных звезд, отождествленных с каталогом, решалась система с десятью параметрами редукции.

Обрабатывались 29 снимков спутника J8 (Пасифе) и 9 снимков спутника J6 (Гималия). В результате обработки удачных снимков получены 33 положения спутников.

АСТРОМЕТРИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Полученные астрометрические результаты помещены в табл. 1. Даны экваториальные координаты спутников в системе экватора и равноденствия эпохи J2000. Система координат соответствует использованному звездному каталогу. Шкала времени UTC.

Таблица 1.

   Результаты наблюдений. Шкала времени UTC. Система координат экватора и равноденствия эпохи J2000. Номера спутников: 6 – J6 (Гималия), 8 – J8 (Пасифе)

Номер
cпутника
Дата,
год, месяц, день
Момент наблюдения,
ч, мин, с
Прямое восхождение, ч, мин, с Склонение,
град, угл. мин, угл. с
6
6
6
6
6
6
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
2017 06 13
2017 06 13
2017 06 13
2017 06 13
2017 06 13
2017 06 13
2017 05 30
2017 05 30
2017 06 13
2017 06 13
2017 06 13
2017 06 13
2017 06 13
2017 06 13
2017 06 13
2017 06 26
2017 06 26
2017 06 26
2017 06 26
2017 06 26
2017 06 26
2017 06 26
2017 06 27
2017 06 27
2017 06 28
2017 06 28
2017 06 28
2017 06 28
2017 06 28
2017 06 28
2017 06 30
2017 06 30
2017 06 30
18 58 24.690
19 03 49.440
19 09 19.810
19 14 45.130
19 24 10.660
19 29 45.610
18 58 24.690
19 03 49.440
19 39 28.197
19 44 55.098
19 50 22.399
19 55 49.937
20 10 29.980
20 15 54.786
20 21 20.983
18 52 27.621
18 57 52.911
19 03 19.198
19 18 44.823
19 25 19.883
19 30 44.980
19 36 09.787
20 34 57.173
20 40 22.800
18 48 05.253
18 53 29.893
18 58 55.717
19 05 13.340
19 12 13.418
19 18 55.583
19 54 24.217
19 59 49.402
20 05 17.646
12 52 36.0817
12 52 36.0890
12 52 36.0977
12 52 36.1060
12 52 36.1200
12 52 36.1285
12 55 40.4103
12 55 40.3798
12 55 34.3351
12 55 34.3491
12 55 34.3673
12 55 34.3853
12 55 34.4232
12 55 34.4357
12 55 34.4497
12 57 22.6806
12 57 22.7254
12 57 22.7741
12 57 22.9046
12 57 22.9584
12 57 23.0021
12 57 23.0524
12 57 36.3863
12 57 36.4342
12 57 48.8373
12 57 48.8850
12 57 48.9325
12 57 48.9967
12 57 49.0597
12 57 49.1287
12 58 18.1558
12 58 18.2076
12 58 18.2746
–4 25 0.0025
–4 25 0.2108
–4 25 0.4639
–4 25 0.6872
–4 25 1.0557
–4 25 1.3364
–3 37 10.4042
–3 37 10.2688
–3 37 51.7589
–3 37 51.8592
–3 37 52.0460
–3 37 52.1684
–3 37 52.4540
–3 37 52.6380
–3 37 52.7766
–3 51 4.1259
–3 51 4.4846
–3 51 4.7999
–3 51 5.7348
–3 51 6.1400
–3 51 6.4721
–3 51 6.8439
–3 52 40.3766
–3 52 40.7268
–3 54 7.3167
–3 54 7.6011
–3 54 8.0356
–3 54 8.4098
–3 54 8.7915
–3 54 9.3232
–3 57 31.1003
–3 57 31.4198
–3 57 31.9625

ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ. СРАВНЕНИЕ С ЭФЕМЕРИДАМИ

Для проверки результатов наблюдений и оценки их точности использовались эфемериды спутников J6 Гималия и J8 Пасифе, полученные с помощью сервера эфемерид MULTI-SAT (Emel’yanov, Arlot, 2008). Модели движения этих спутников были также построены на основе наблюдений и опубликованы в работах (Jacobson, 2000; Jacobson и др., 2012; Brozovic, Jacobson, 2017). Эфемериды, вычисляемые по последним версиям этих моделей, можно получить с помощью сервера эфемерид JPL (Giorgini, Yeomans, Chamberlin, Chodas, 1997). Модели движения далеких спутников неоднократно уточнялись первым автором данной статьи на основе новых наблюдений. Модель движения спутника J6 (Гималия) к настоящему времени уточнена на основе 3381 наблюдения, выполненного на интервале времени с 3 января 1905 г. по 14 декабря 2016 г. (примерно 110 лет). Модель движения спутника J8 (Пасифе) – на основе 2943 наблюдения, выполненного на интервале времени с 20 января 1905 г. по 17 июня 2016 г. (примерно 110 лет). Средневзвешенные среднеквадратичные значения отклонений наблюденных положений от эфемерид по всем указанным наблюдениям оказались равными для спутника J6 (Гималия) 0.21″, для спутника J8 (Пасифе) – 0.22″. При этом точность эфемерид оценивается в сервере MULTI-SAT для 2017 г. величиной 0.008″ для J6 (Гималия) и 0.05″ для J8 (Пасифе). Результаты наблюдений, полученные в данной работе, для уточнения эфемерид еще не использовались.

Сравнение результатов наблюдений, выполненных в данной работе, с эфемеридами сделано сразу по всем 33 положениям двух спутников. Сравнение показало следующие оценки отклонений. Средние значения составили 0.036″ по прямому восхождению и 0.044″ по склонению. Среднеквадратичные величины отклонений: 0.085″ по прямому восхождению и 0.064″ по склонению. Дисперсии, т.е. среднеквадратичные величины отклонений от средних значений, составили: 0.077″ по прямому восхождению и 0.047″ по склонению. Сравнение было выполнено с помощью сервера эфемерид MULTI-SAT с использованием удобного сервиса сравнения результатов наблюдений с эфемеридами, предоставляемого системой MULTI-SAT (Emel’yanov, Arlot, 2008).

Следует отметить, что точность наблюдений далеких спутников больших планет в последние 15 лет стала заметно лучше. В частности, в работе (Khovritchev и др., 2015) опубликованы новые наблюдения четырех далеких спутников Юпитера. Для большинства из этих наблюдений отличия наблюденных положений спутников от эфемерид не превышают 0.1″.

Сопоставляя полученные оценки с точностью предшествующих наблюдений, мы делаем вывод, что качество выполненных в данной работе наблюдений соответствует современному уровню наземных наблюдений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На Кавказской горной обсерватории (КГО) Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова на новом телескопе с диаметром зеркала 2.5 м в 2017 г. были проведены астрометрические наблюдения далеких спутников Юпитера J6 (Гималия) и J8 (Пасифе). Получены 6 положений спутника J6 (Гималия) и 27 положений спутника J8 (Пасифе). Дисперсии, т.е. среднеквадратичные величины отклонений от средних значений, по всем 33 наблюдениям двух спутников составили: 0.077″ по прямому восхождению и 0.047″ по склонению. Эти оценки показывают, что наблюдения, выполненные на 2.5 м телескопе Кавказской горной обсерватории, позволяют получить точность, соответствующую современным требованиям к точности наземных астрометрических наблюдений объектов Солнечной системы.

Новые наблюдательные данные будут полезны для уточнения моделей движения далеких спутников Юпитера.

Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 16-52-150005. Наблюдательные данные получены с использованием оборудования, приобретенного за счет средств Программы развития Московского университета.

Список литературы

  1. Потанин С.А., Горбунов И.А., Додин А.В., Саввин А.Д., Сафонов Б.С., Шатский Н.И. Исследование оптики 2.5-метрового телескопа ГАИШ МГУ // Астрон. журн. 2017. Т. 94. С. 715.

  2. Andersen J. The Astronomical CCD Development Program at Copenhagen University // Proc. Conf. “Optical Detectors for Astronomy” Garching, Germany, October 8–10, 1996 / Eds Beletic J.W., Amico P. Boston, Mass.: Kluwer Acad. Publ., 1998.

  3. Arlot J.-E., Emelyanov N.V. The NSDB natural satellites astrometric database // Astron. and Astrophys. 2009.V. 503. P. 631–638.

  4. Brozovic M., Jacobson R.A. The orbits of Jupiter’s irregular satellites // Astron. J. 2017. V. 153. Iss. 4. Article id. 147, 10 p.

  5. Emel’yanov N.V., Arlot J.-E. The natural satellites ephemerides facility MULTI-SAT // Astron. and Astrophys. 2008. V. 487. P. 759–765.

  6. Gaia Collaboration. Gaia Data Release 2. Summary of the contents and survey properties // Astron. and Astrophys. 2018. V. 616. Id.A1, 22 pp.

  7. Giorgini J.D., Yeomans D.K., Chamberlin A.B., Chodas P.W., Jacobson R.A., Keesey M.S., Lieske J.H., Ostro S.J., Standish E.M., Wimberly R.N. JPL’s On-Line Solar System Data Service // Amer. Astron. Soc. DPS meeting N. 28, Aprel 25, 1997. Bull. Amer. Astron. Soc. 1997. V. 28. P. 1158.

  8. Jacobson R.A. The orbits of the outer Jovian satellites // Astron. J. 2000. V. 120. P. 2679–2686.

  9. Jacobson R., Brozovic M., Gladman B., Alexandersen M., Nicholson P.D., Veillet C. Irregular satellites of the outer planets: orbital uncertainties and astrometric recoveries in 2009–2011 // Astron. J. 2012. 144: 132. 8 pp.

  10. Khovritchev M.Yu., Ershova A.P., Balyaev I.A., Bikulova D.A., Izmailov I.S., Roshchina E.A., Petjur V.V., Shumilov A.A., Maksimova L.A., Oskina K.I., Apetyan A.A., Kulikova A.M. Astrometric observations of outer Jovian satellites with the “Saturn” telescope. First results // eprint arXiv:1511.01642. November 2015.

Дополнительные материалы отсутствуют.