Gravitationel slynge

En gravitationel slynge (på engelsk kaldet gravity assist (flybys), der betyder forbi-flyvninger - og gravitational slingshots) er et begreb, der bruges om et rumfartøjs udnyttelse af gravitationen fra de himmellegemer det passerer til acceleration eller deceleration. Formålet er fx at spare brændstof og komme hurtigere frem til målet, planlægningen af sådan en rejse laves ud fra matematiske beregninger. Det er himmellegemets masse, der bestemmer hvor stor gravitation den har - og fartøjets mindsteafstand til planeten har betydning for, hvor stor effekt planetens gravitation får udøvet. Nogle gange passeres Lagrange-punkter for at komme i "stilling" til nyttige gravitationelle slynger.^[1]

Den gravitationelle slynge blev opdaget af Michael Minovitch (allerede da han var studerende) og præsenteret for Jet Propulsion Laboratory i form af en 47-siders teknisk artikel dateret d. 23. august 1961. ^[2]

Teori

En rumsonde, der nærmer sig en planet, vil accelereres da den potentielle energi mindskes. Da den mekaniske energi er uændret, vil den kinetiske energi derfor vokse. Efter at rumsonden har passeret den tætteste afstand til planeten, vil den decelereres. Den potentielle energi vokser så den kinetiske energi mindskes. Hvis planeten er stillestående, vil rumsondens energi efter mødet være uændret – ækvivalent med en cyklist, der øger farten ned af bakke, men mister fart op ad bakke (analogien har rulle- og luftmodstand, der skal ignoreres).

Da planeter omkredser Solen, vil rumsonden skubbes af planeten under passagen:

En bold, der kastes mod en stillestående lastbil, vil ikke modtage energi fra lastbilen.
En bold der kastes på en modkørende lastbil, vil i deformationsfasen skubbes fremad af lastbilen.
En bold der kastes på en bortkørende lastbil, vil i deformationsfasen skubbe lastbilen fremad.

Meget simpelt fortalt vil rumsonder, der passerer bag planeten, modtage energi fra planeten. Rumsonder, der passerer foran planeten, vil frigive energi til planeten. Da masseforskellen imellem rumsonden og planeten er enorm, vil rumsondens hastighed ændres mærkbart – mens planetens er ubetydelig. Lastbil analogien halter her, da bolden flyver tilbage til udgangspunktet. Hvis lastbilen kunne tiltrække bolden, når den var tæt på og man kastede parallelt med lastbilen, passer analogien.

En anden effekt ved tætte planetpassager er at den relative hastighed ift. Solen kan ændres. Hvis banen afbøjes, vil hastigheden ift. Mælkevejen være den samme, men ændres ift. Solen. Rumsonder arver Jordens tangentialhastighed omkring Solen. Denne hastighedskomponent på ca. 30 km/s kan afbøjes væk fra Solen og accelerere rumsonden mod de ydre planeter.

Praktisk anvendte gravitationelle slynger

Pioneer 10 var den første rumsonde, der anvendte gravitationelle slynger, da den passerede Jupiter i 1973. Pioneer 10 blev accelereret til den tredje kosmiske hastighed og forlader derved Solsystemet.
Mariner 10 var den første rumsonde, der anvendte gravitationelle slynger til deceleration. Den skulle besøge Merkur og blev sendt på en bane mellem Jordens og Venus' baner. Da den nåede venusbanen i 1974, decelererede Venus rumsonden, så den faldt ind mod Solen. Den nye bane krydsede Merkurs bane og Mariner 10 fløj forbi Merkur tre gange i 1974-75. Uden gravitationelle slynger, ville den stadig flyve rundt mellem Jordens og Venus' baner.

I 1978 blev rumsonden ISEE-3 (International Sun-Earth Explorer-3) sendt op for at observere Jordens magnetfelt og solvinden, rumsonden blev med tilladelse "kapret" af en af NASAs projektledere Robert Farquhar og omdøbt til International Cometary Explorer (ICE). Rumsonden anvendte gravity assist i form at ottetaller om Månen og Jorden med formålet at blive gravitationelt slynget ud til Halleys komet med henblik på undersøgelse.^[3]

Gravitationelle slynger kan også anvendes til at afbøje banen væk fra ekliptika. Ulysses fløj forbi Jupiter den 8. februar 1992 og udnyttede Jupiters tyngdefelt til en bane 80°,2 fra ekliptika. Derved kunne Solens poler observeres.

Gravitationel slyngning af større himmellegemer

Løbsk neutronstjernes (RX J185635-3754) passage og positioner ved 3 forskellige datoer (kilde: NASA/STScI).^[4] Neutronstjernens høje hastighed kunne være resultatet af en gravitationel slyngning. Neutronstjernen er kun 200 lysår fra jorden.

Gravitationelle slynger sker passivt i vores univers. Fx kan en planet blive sendt fra stjerne til stjerne - og endda ud af hjemmegalaksen. Selv stjerner kan sendes ud af en galakse via en gravitationel slynge.^[5]^[6]^[7]

Studerende fra NBI har muligvis opdaget et supermassivt sort hul (SDSS1133) i Karlsvognen. Tesen er at det supermassive sorte hul er blevet gravitationelt slynget ud af dværggalaksen Markarian-177 under en galaksekollision med en anden galakses supermassive sorte hul.^[8] Opdagelsen af SDSS1133 blev gjort med rumteleskopet Swift og et af Keck-teleskoperne.

Selv galakser kan gravitationelt slynges væk fra en anden galakse.^[9]

Kilder/referencer

^ "From Stargazers to Starships" -- Site Map: (35) Starships Citat: "...What the public might not have realized was that not only were these planets worthy targets for exploration, but their gravity pulls were an essential ingredient making this "grand tour" possible...This sort of maneuver is often used by interplanetary probes. Encounters with the Moon have also been used, for sending spacecraft towards the Lagrangian L1 point or the L2 point in the tail, for modifying missions (such as that of Geotail) and on December 22, 1983 for sending ISEE-3 away from Earth towards Comet Giacobini-Zinner...In this manner the stars nearest to Earth might be reached..."
^ gravityassist.com: The Creation of a new Theory of Space Travel -- Gravity Propelled Space Travel Citat: "...When Minovitch presented it to JPL in the form of 47 page technical paper dated August 23, 1961, it was dismissed by the head of JPL’s Trajectory Group as impossible...How could a young graduate student in mathematics and physics who never studied the problem of space propulsion, space travel or astrodynamics before the summer of 1961 ever invent a completely new theory of space travel..."
^ 30. april 2014, videnskab.dk: Projektleder i NASA kaprede en rumsonde Citat: "...Robert Farquhar tog Månen i brug som en slags slynge. I en serie ottetaller fra Jorden rundt om Månen og tilbage igen fik International Cometary Explorer mere og mere fart, så den til sidst undslap jordens tyngdefelt, på vej mod fjernere kometer...»Robert Farquhar var den første til at tage sådanne halobaner i praktisk brug i rumfarten, med ISEE-3,« fortæller Erik Tandberg..."
^ hubblesite.org: Hubble Sees Bare Neutron Star Streaking Across Space Citat: "...An alien spaceship? No, it's a runaway neutron star, called RX J185635-3754..."
^ 18. feb 2012, ing.dk: Planeter bliver kastet rundt i universets pinball-spil Citat: "...Nye simuleringer viser, at Universet kaster planeter rundt mellem stjernerne som i et flipperspil. Sådanne ping-pong-processer kan vare i op til en million år..."
^ 29. mar 2012, ing.dk: Planeter slynges ud af galaksen i rekordfart Citat: "...Nye simuleringer viser, at planeter ligesom stjerner kan blive sparket ud af deres hjemgalakse med op til 49 millioner kilometer i timen – som de hurtigste objekter i galaksen bortset fra fotoner..."
^ 17. mar 2011, ing.dk: Bortløben stjerne danner chokbølge i Universet Citat: "...Astronomerne har siden 2003 kendt til en række stjerner, som bevæger sig gennem universet med en mystisk høj fart på flere millioner kilometer i timen. I dag kender man over 16 af disse bortløbne højhastighedsstjerner, og nogle af dem kan endda være på vej til at forlade galaksen...Ved eksplosionen er den ledsagende stjerne blev frigjort og slynget af sted med stor hastighed...Hvis en dobbeltstjerne kommer for tæt på et stort sort hul, kan den gensidige tiltrækning mellem de to stjerner i det binære system blive brudt. Den ene stjerne bliver trukket ind i kredsløb om det sorte hul, mens den anden bliver slynget væk fra det sorte hul med flere millioner kilometer i timen..."
^ 20. nov 2014, ing.dk: Opdagelse af Niels Bohr-studerende: Sort hul blev slynget ud af galakse, youtube.com: Swift Probes Exotic Object: 'Kicked' Black Hole or Mega Star?
^ Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. (2015, April 23). Astronomers find runaway galaxies. ScienceDaily Citat: "...We know of about two dozen runaway stars, and have even found one runaway star cluster escaping its galaxy forever. Now, astronomers have spotted 11 runaway galaxies that have been flung out of their homes to wander the void of intergalactic space...An object is a runaway if it's moving faster than escape velocity, which means it will depart its home never to return. In the case of a runaway star, that speed is more than a million miles per hour (500 km/s). A runaway galaxy has to race even faster, traveling at up to 6 million miles per hour (3,000 km/s)..."

Eksterne henvisninger

Wikimedia Commons har flere filer relateret til Gravitationel slynge
Slingshot effect
Gravitational Slingshot Theory (Webside ikke længere tilgængelig)
NASA om Cassini Arkiveret 7. oktober 2008 hos Wayback Machine

[1] "From Stargazers to Starships" -- Site Map: (35) Starships Citat: "...What the public might not have realized was that not only were these planets worthy targets for exploration, but their gravity pulls were an essential ingredient making this "grand tour" possible...This sort of maneuver is often used by interplanetary probes. Encounters with the Moon have also been used, for sending spacecraft towards the Lagrangian L1 point or the L2 point in the tail, for modifying missions (such as that of Geotail) and on December 22, 1983 for sending ISEE-3 away from Earth towards Comet Giacobini-Zinner...In this manner the stars nearest to Earth might be reached..."

[2] ravityassist.com: The Creation of a new Theory of Space Travel -- Gravity Propelled Space Travel Citat: "...When Minovitch presented it to JPL in the form of 47 page technical paper dated August 23, 1961, it was dismissed by the head of JPL’s Trajectory Group as impossible...How could a young graduate student in mathematics and physics who never studied the problem of space propulsion, space travel or astrodynamics before the summer of 1961 ever invent a completely new theory of space travel..."

[3] 30. april 2014, videnskab.dk: Projektleder i NASA kaprede en rumsonde Citat: "...Robert Farquhar tog Månen i brug som en slags slynge. I en serie ottetaller fra Jorden rundt om Månen og tilbage igen fik International Cometary Explorer mere og mere fart, så den til sidst undslap jordens tyngdefelt, på vej mod fjernere kometer...»Robert Farquhar var den første til at tage sådanne halobaner i praktisk brug i rumfarten, med ISEE-3,« fortæller Erik Tandberg..."

[4] ubblesite.org: Hubble Sees Bare Neutron Star Streaking Across Space Citat: "...An alien spaceship? No, it's a runaway neutron star, called RX J185635-3754..."

[5] 18. feb 2012, ing.dk: Planeter bliver kastet rundt i universets pinball-spil Citat: "...Nye simuleringer viser, at Universet kaster planeter rundt mellem stjernerne som i et flipperspil. Sådanne ping-pong-processer kan vare i op til en million år..."

[6] 29. mar 2012, ing.dk: Planeter slynges ud af galaksen i rekordfart Citat: "...Nye simuleringer viser, at planeter ligesom stjerner kan blive sparket ud af deres hjemgalakse med op til 49 millioner kilometer i timen – som de hurtigste objekter i galaksen bortset fra fotoner..."

[7] 17. mar 2011, ing.dk: Bortløben stjerne danner chokbølge i Universet Citat: "...Astronomerne har siden 2003 kendt til en række stjerner, som bevæger sig gennem universet med en mystisk høj fart på flere millioner kilometer i timen. I dag kender man over 16 af disse bortløbne højhastighedsstjerner, og nogle af dem kan endda være på vej til at forlade galaksen...Ved eksplosionen er den ledsagende stjerne blev frigjort og slynget af sted med stor hastighed...Hvis en dobbeltstjerne kommer for tæt på et stort sort hul, kan den gensidige tiltrækning mellem de to stjerner i det binære system blive brudt. Den ene stjerne bliver trukket ind i kredsløb om det sorte hul, mens den anden bliver slynget væk fra det sorte hul med flere millioner kilometer i timen..."

[8] 20. nov 2014, ing.dk: Opdagelse af Niels Bohr-studerende: Sort hul blev slynget ud af galakse, youtube.com: Swift Probes Exotic Object: 'Kicked' Black Hole or Mega Star?

[9] Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. (2015, April 23). Astronomers find runaway galaxies. ScienceDaily Citat: "...We know of about two dozen runaway stars, and have even found one runaway star cluster escaping its galaxy forever. Now, astronomers have spotted 11 runaway galaxies that have been flung out of their homes to wander the void of intergalactic space...An object is a runaway if it's moving faster than escape velocity, which means it will depart its home never to return. In the case of a runaway star, that speed is more than a million miles per hour (500 km/s). A runaway galaxy has to race even faster, traveling at up to 6 million miles per hour (3,000 km/s)..."

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]