¿Los rovers de Marte realmente confirmaron la gravedad de Marte?

La "gravedad de Marte" no es un número sino un campo complejo. El más reciente es notablemente detallado, compuesto por armónicos esféricos de grado y orden 120 , descrito por 29.512 coeficientes :

Estos mapas están hechos usando orbitadores (tres orbitadores en este caso), no módulos de aterrizaje. Un módulo de aterrizaje/rover puede dar solo una aceleración y dirección gravitacional local, que nunca será un valor de libro de texto.

Los datos del orbitador también muestran cómo el campo de gravedad varía con el tiempo a medida que la masa se mueve entre la atmósfera y los depósitos de hielo en los polos.

Entonces, no, los rovers de Marte pueden hacer poco para "confirmar" la gravedad de Marte. A menos que solo quiera verificar que esté en algún lugar alrededor$3.7\,\mathrm{m/s^2}$. Nuestros orbitadores de Marte han "confirmado" la gravedad de Marte, o realmente la han medido, con una precisión muy alta, muy por encima del pobre poder de nuestros rovers para agregar o restar.

¿El rover realmente hizo una prueba para confirmar que la gravedad teórica es realmente igual a la gravedad real medida?

En primer lugar, ¿cuál sería el punto?

En segundo lugar, por supuesto que lo hicieron, pero no para realizar esa prueba. Los rovers de Marte eran/son autónomos. Necesitaban saber dónde estaban sin ayuda externa. Para lograr esto, los rovers de Marte están equipados con unidades de medición inercial (IMU). Uno de los componentes clave de una IMU es un acelerómetro.

En los períodos en que un rover estaba estacionario, el acelerómetro "midió" ¹ gravedad. Esta pregunta pregunta por la parte aburrida de esa lectura, la magnitud de ese vector. La parte importante de esas lecturas estacionarias era la dirección de la aceleración medida. Ignorando la desviación de la vertical , esas mediciones en estado estable dieron una indicación de la orientación del rover ² .

Los acelerómetros también se utilizaron mientras los rovers estaban en movimiento. Integrar la aceleración detectada, menos la gravedad, es una parte crucial de la navegación inercial. Por ejemplo, consulte Estimación de actitud y posición en los rovers de exploración de Marte .

¹ Usé "medido" entre comillas porque no se puede "medir" la gravedad directamente. Esta es una de las consecuencias del principio de equivalencia de Einstein.

² La desviación de la vertical en Marte puede ser enorme según los estándares terrestres (0,3 grados cerca del pico de Olympus Mons). Sin embargo, incluso ese valor extremo es bastante pequeño, y el valor en terreno navegable por un rover es pequeño. Era seguro ignorar la desviación de la vertical.

¿Los rovers de Marte realmente confirmaron la gravedad de Marte?

Sí, lo hizo (¡finalmente, yay!)

tl; dr: Por lo que puedo decir, los datos aquí representan mediciones de aceleración reales desde la superficie que no utilizan las mediciones súper coloridas (precisas) basadas en el espacio de armónicos esféricos gravitacionales descritas en esta respuesta , ni siquiera para la calibración. Por lo tanto, creo que esta es una confirmación independiente de la fuerza de la gravedad de Marte en la superficie.

Es importante recordar (como se señaló en este comentario que los efectos centrífugos debidos a la rotación de Marte también aparecerán en los datos del acelerómetro. El artículo de 2019 en Science (abajo) está pagado y no se menciona en el artículo de la conferencia de 2016 (abajo), pero con$GM$= 4.282837E+13 m^3/s^2 y$R_0$= 3396200 metros, y la altitud de la ubicación de Curiosity cerca del fondo del cráter Gale de unos -4500 metros, la aceleración debida únicamente a la gravedad debería ser de unos 3,723 m/s ² . Los efectos centrífugos deberían ser del orden de -0,014 m/s ² , por lo que los acelerómetros deberían leer unos 3,709 m/s ² . El problema es que los números a continuación están a mitad de camino entre 3.723 y 3.709, por lo que tendrá que esperar a que se resuelva.

Como se señaló en la respuesta y los comentarios de @DavidHammen allí, la curiosidad tiene al menos un conjunto operativo de acelerómetros de 3 ejes. el propósito principal es medir la dirección de la vertical gravitatoria local con respecto al marco del rover.

Esto se usa en la navegación, especialmente cuando se viaja en una pendiente significativa para evitar volcarse, y probablemente en matemáticas para conectar imágenes de varias cámaras al terreno local.

También se usa para apuntar correctamente la antena de alta ganancia de Curiosity directamente a la Tierra cuando ocasionalmente llama a casa sin vincularse/retransmitirse a través de satélites en la órbita de Marte.

• ¿Cómo sabe Curiosity cómo apuntar y mover su antena de alta ganancia en tiempo real?
• ¿Se ha comunicado alguna vez el rover Curiosity directamente con la Tierra a través de su antena de alta ganancia? ¿Fuerza de la señal y tasa de datos?

Los científicos de Gizmodo revelan la naturaleza de la montaña marciana utilizando una técnica ingeniosa con Curiosity Rover dice:

Los científicos que trabajan con el rover Curiosity utilizaron una parte de su equipo de navegación, un acelerómetro como el de su teléfono celular, para realizar una medición importante sobre la misteriosa geología de Marte.

Actualmente, Curiosity recorre el Monte Sharp, una montaña de 5 kilómetros de altura (3 millas) en el centro del cráter Gale. Pero no está claro si la montaña es el resultado de una vez que el cráter se rellenó y perdió materia por la erosión, o si la montaña es más como una gran duna de material depositado. Curiosity no posee un instrumento científico para determinar la naturaleza de la montaña, pero tiene un equipo de navegación de medición de fuerza. Así que los científicos se volvieron creativos.

“Me di cuenta de que puedes descargar una aplicación en tu teléfono y, no con mucha precisión, pero puedes medir [la fuerza de la gravedad de la Tierra] porque tu teléfono tiene acelerómetros”, dijo el autor principal del estudio, Kevin Lewis, profesor asistente en la Universidad Johns Hopkins. le dijo a Gizmodo. Pensó que podría hacer lo mismo con los acelerómetros de Curiosity y realizar una ciencia interesante.

La gravimetría, o la medición precisa de los cambios en el campo gravitatorio local, es una forma útil de comprender las rocas debajo de la superficie, ya que la fuerza de gravedad de un objeto aumenta con su masa. El Apolo 17 tuvo un experimento de gravimetría para estudiar la Luna, por ejemplo, pero Curiosity no tiene un gravímetro. Sin embargo, tiene un sistema de navegación que incluye giroscopios y un acelerómetro para medir los cambios de velocidad, aceleración y orientación.

El sistema de navegación no es tan sensible como lo sería un gravímetro, pero los científicos se las arreglaron. Adquirieron los datos sobre las aceleraciones experimentadas por el rover, luego los ajustaron para tener en cuenta cosas como la ubicación de Curiosity en Marte, así como los posibles efectos de la temperatura y la elevación en el equipo.

Es posible que los acelerómetros no hayan sido diseñados originalmente para este tipo de medición. Es probable que hayan estado bien calibrados porque la NASA no pierde el tiempo ( excepto tal vez aquí con los láseres púrpuras con perfiles de haz pésimos/aleatorios ).

Es un desafío calibrar los acelerómetros perfectamente en valores inferiores a 1 g. Puedes rotarlos para usarlos$\cos(\theta)$pero los dispositivos imperfectos no siempre pueden rechazar perfectamente la aceleración lateral. Consulte la pregunta (actualmente sin respuesta) ¿ Cómo se probó el sismómetro vertical (acelerómetro) de InSight en la gravedad más intensa de la Tierra? por KW Lewis, SF Peters, KA Gonter y el equipo científico de MSL.

Puede leer acerca de los primeros resultados en el documento de la conferencia 47th Lunar and Planetary Science Conference (2016) First Gravity Traverse on the Martian Surface from the Curiosity Rover .

Hay un artículo (posiblemente) más detallado publicado hoy en Science. Una travesía de gravedad superficial en Marte indica una baja densidad de lecho rocoso en el cráter Gale con algunos resultados importantes, pero desafortunadamente, aunque la misión y el investigador son financiados principalmente por los contribuyentes, tenemos que pagar nuevamente para Lee sobre ello. (es decir, de pago).

Del documento de la conferencia de 2016:

Los datos del acelerómetro RIMU están destinados principalmente para determinar el balanceo y el cabeceo del rover a partir de las magnitudes relativas de los tres ejes bajo la aceleración estática g del campo gravitatorio marciano. Sin embargo, la magnitud relativa de g cambiará tanto con la posición (como resultado de las variaciones de densidad del subsuelo) como con la elevación, lo que podría detectarse con suficiente precisión. Aunque los datos sin procesar del acelerómetro del rover no son lo suficientemente sensibles, hemos desarrollado una serie de procedimientos de calibración para tener en cuenta principalmente 1) los efectos de la sensibilidad a la temperatura y 2) los ligeros sesgos entre los tres acelerómetros cuando el rover no es horizontal. Se han demostrado con éxito procedimientos de corrección similares para datos IMU de grado de navegación en experimentos de gravimetría aerotransportados terrestres(4).

La Figura 1 muestra la reducción de la varianza asociada con las tres correcciones más grandes del conjunto de datos de RIMU. Se aplica una corrección adicional para eliminar una tendencia estacional sinusoidal que probablemente resulte de una histéresis de temperatura a largo plazo. Después de aplicar estas correcciones, podemos lograr una precisión relativa de aproximadamente 10 mGal (10-4 m/s ² ). Aunque grueso según los estándares gravimétricos terrestres modernos, esta es una sensibilidad aproximadamente equivalente a la reportada para el gravímetro transversal del Apolo 17.

Figura 2 – Determinación de la relación entre aceleración gravitacional y elevación. a) Datos de elevación del móvil en función de Sol. b) Mediciones de gravedad calibradas en función de la longitud solar (Ls). Los datos de elevación se ajustan a un año marciano para evitar tendencias estacionales. La disminución de g cuando Curiosity escaló el monte Sharp puede explicarse de manera más sencilla por una baja densidad del subsuelo para el monte Sharp (mejor ajuste: 1600 kg/m ² ).

a continuación: "Mediciones de la gravedad de Mount Sharp utilizando datos de Curiosity. Gráfico: Kevin Lewis" de Gizmodo