¿Cómo pueden los movimientos de una nave espacial en órbita producir la estructura profunda del orbitador?

Las mediciones Doppler gravimétricas pueden confirmar que Vesta tiene un núcleo de hierro, ya que elimina las alternativas. Esto funciona de la siguiente manera:

1. La masa de Vesta se mide primero con precisión, por ejemplo, utilizando el período orbital de un satélite, por ejemplo, la nave espacial Dawn.

2. Luego, con base en las características geológicas observadas, su densidad promedio, el achatamiento de Vesta en comparación con su tasa de rotación, la ubicación de los polos y varias suposiciones sobre su estructura interna, con base en otros objetos en equilibrio hidrostático, puede dar una buena estimación. en su momento de inercia .

3. A partir de eso, puede concluir que la estructura interna de Vesta debe contener una o más regiones con mayor densidad y obtener una impresión relativamente buena de cómo se ubican entre sí.

4. Si esta materia más densa está dispuesta de alguna manera asimétrica (por ejemplo, no esférica), las observaciones Doppler detectarán la falta de uniformidad del campo gravitatorio de Vesta, basándose en pequeños cambios en la órbita de Dawn, ya que la órbita no sigue la de una esférica. cuerpo. Las observaciones de Dawn indicaron que la materia densa debe estar ensamblada en un núcleo esférico en el medio.

Eso confirma la existencia de un núcleo. Pero como dices, el teorema de la capa de Newton hace que sea difícil medir con precisión el tamaño del núcleo, o si está estratificado en regiones con diferentes densidades. Para obtener más datos sobre la estructura interna de Vesta, debe colocar sondas en la superficie y medir cómo se propagan las ondas de choque de un terremoto a través del planetoide. La gravimetría exacta tiene sus limitaciones, y los buenos datos sísmicos definitivamente mejorarán los supuestos geológicos.

Aquí hay algunas referencias útiles:

• La investigación de la gravedad de Dawn en Vesta y Ceres : un artículo detallado sobre las técnicas gravimétricas utilizadas por el equipo científico de Dawn
• Interiores planetarios : un capítulo del sitio web Astronomy Notes que habla sobre las diversas técnicas para investigar los interiores de otros planetas.

Voy a dar una respuesta contraria.

Siempre que la masa sea esféricamente simétrica, no debería poder determinar su distribución, porque los cambios esféricamente simétricos en la distribución de masa no deberían cambiar el campo gravitatorio resultante.

Si el Sol, los planetas y los otros cuerpos del sistema solar realmente fueran esféricamente simétricos, y eso pudiera determinarse acerca de esos objetos al observar cómo los objetos orbitan alrededor de otros, serían sus masas. (Más precisamente, lo que se determinaría son los parámetros gravitacionales estándar$\mu=GM$, el producto de la constante gravitatoria universal y la masa. La gran incertidumbre en$G$significa que la masa solo se puede determinar con cuatro decimales de precisión).

Las masas en el sistema solar no son esféricamente simétricas. El Sol es el más cercano gracias a su gran tamaño y su lento ritmo de rotación. Los planetas gigantes tienen un abultamiento esférico marcado, pero aparentemente también tienen algunas anomalías de gravedad debido a la distribución desigual de la masa. Los planetas terrestres son aún menos esféricos que los planetas gigantes, los asteroides, aún menos. Es mejor describir asteroides y lunas con un radio de menos de 200 a 300 kilómetros como papas grumosas en lugar de vacas esféricas. Vesta está justo en el medio de ese rango. Aunque no es tan grumoso como 25143 Itokawa (visitado por Hayabusa de JAXA hace una década), Vesta todavía está lejos de ser esférico. Esto proporciona una forma de medir las características dentro de Vesta, simplemente observando cómo Dawn orbita Vesta.

Las técnicas numéricas de determinación y propagación de órbitas dan cuenta de la naturaleza no esférica de los cuerpos del sistema solar y de los efectos perturbadores de otros cuerpos. Las estaciones de seguimiento terrestres utilizadas para comunicarse con Dawn proporcionaron mediciones que dan pistas sobre cómo Dawn estaba orbitando Vesta, lo que a su vez da pistas sobre el campo gravitatorio de Vesta. La medida más precisa es el cambio Doppler en las señales enviadas desde la Tierra a Dawn, que Dawn simplemente transmite a la Tierra. (Cada sonda espacial lanzada por los EE. UU. y Europa está equipada con un dispositivo para ese propósito). caballos de fuerza, da una imagen del interior de un cuerpo del sistema solar.

Una forma de modelar el campo gravitatorio de objetos no del todo esféricos es con armónicos esféricos (o, a veces, armónicos elípticos). Las matemáticas están muy bien establecidas. Este enfoque funciona bien para los planetas, algo bien para objetos del tamaño de la Luna (pero la Luna tiene cinco mascones grandes (concentraciones de masa) en el lado cercano y un desplazamiento de dos kilómetros entre su centro de masa y su centro geométrico). Podrían funcionar incluso para un objeto del tamaño de Vesta.

Otro enfoque es utilizar la forma geométrica del cuerpo para modelar el campo gravitatorio. Dawn tomó muchas fotos de Vesta. Estas imágenes producen colectivamente un modelo de forma 3D de Vesta. Un enfoque comúnmente utilizado en gráficos por computadora es representar la superficie de algún objeto a través de polígonos (típicamente triángulos). Estos modelos de forma se pueden usar como un modelo gravitacional al proyectar esos polígonos en algún centro bien elegido para crear poliedros. El campo gravitatorio para un poliedro de densidad constante es fácil de calcular (es decir, con una computadora) y, a partir de ahí, tienes un modelo de gravedad poliédrica del objeto en cuestión.

Las órbitas de los modelos de gravedad basados ​​en armónicos y poliedros inevitablemente no coincidirán entre sí ni con las observaciones. Es casi seguro que el mayor problema sea la suposición de una densidad constante en el modelo de gravedad poliédrica. Un cuerpo del tamaño de Vesta debería tener cierta diferenciación. Los modelos de gravedad poliédrica se pueden aumentar con un perfil de densidad. Modificar ese modelo para que tenga resultados más consistentes con las observaciones da una pista de lo que hay dentro de Vesta.

Referencias:

Alex S. Konopliv, et al., "La investigación de gravedad de Dawn en Vesta y Ceres", The Dawn Mission to Minor Planets 4 Vesta and 1 Ceres , Springer New York, 2012. 461-486. (Misma referencia utilizada por Hohmannfan)

Robert A. Werner y Daniel J. Scheeres, "Gravitación exterior de un poliedro derivada y comparada con representaciones de gravitación armónica y mascon del asteroide 4769 Castalia", Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy 65.3 (1996): 313-344.