how gaia asteroids can improve planetary ephemerides · jpl de, epm,inpop same modelling expect for...

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GREAT-SSO: Solar System science before and after Gaia

How GAIA asteroids can improve planetaryephemerides ?

A. Fienga1,2

1Institut UTINAM, Université de Franche-Comté, France2IMCCE, Observatoire de Paris, France

A. Fienga May 4th, 2011 How GAIA can improve planetary ephemerides ?

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Outline

Overview of the planetary ephemerides

INPOP and the asteroids

Use of GAIA asteroid observations to improve Jupiter orbit


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JPL DE/IAA EMP/INPOP

Direct numerical integration of equations of motion

9 planets + Moon + asteroids, GR, J2 Sun, TDB/TCB

Fitted to observations

Fit of asteroid masses and densities

INPOP: www.imcce.fr/inpop

Numerical integration with extended precision 80b

Earth and Moon Rotations

INPOP(TCB) for GAIA and INPOP(TDB) from IAU 2006

INPOP10a (Fienga et al. 2011), INPOP06 (Fienga et al. 2008), INPOP08 (Fiengaet al. 2009),

Tests of fundamental physics / Use for paleoclimats


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Overview of the planetary ephemeridesJPL DE, EPM, INPOP

Same modelling expect forthe asteroids

rely mainly on (Mars)spacecraft data

Lack of Jupiter goodobservations

Cassini: good constraints onSaturn

INPOP10a

Impa

ct in

the

fi t in

%

0

5

10

15

20

25

30

35

40

VikingMGSMEXStellar occultations

OpticalFlybysVLBI

VEXPassive range

Mercu

ry

Venu

sMa

rs

Jupit

er

Satur

ne

Uran

us

Neptu

ne

Pluto

1 Poor accuracy of the Jupiter orbit

2 Crucial role of the asteroids


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Internal accuracies of planetary ephemerides

1900 1940 1980 2020

−10

−50

INPOP10A−DE421

date

[mas

]

1900 1940 1980 2020

−30

−10

1030

date

[mas

]

1900 1940 1980 2020

−2−1

01

2

date

1900 1940 1980 2020

−100

100

300

INPOP10A−INPOP08

date

Long

itude

[mas

]

1900 1940 1980 2020

−200

010

020

0

date

Latit

ude

[mas

]

1900 1940 1980 2020

−200

010

030

0

date

dist

ance

[km

]

1900 1940 1980 2020

−20

−10

010

INPOP10A−INPOP06

date

Long

itude

[mas

]

1900 1940 1980 2020

−10

−50

510

date

Latit

ude

[mas

]

1900 1940 1980 2020

−15

−50

510

date

dist

ance

[km

]

Geo

cent

ric d

ista

nce

[km

]


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Planets Umin Umaxα δ ρ α δ ρ

mas mas km mas mas kmMercury 5 6 1.5 9 4 1.5Venus 8 3 0.4 8 6 1.0Mars* 40 15 10 75 30 15Jupiter 20 30 15 400 200 300Saturne 0.8 0.4 3 40 60 100Uranus 300 120 1200 220 100 1500Neptune 400 100 3500 160 150 5000Pluto 3000 1000 80000 6000 2000 140000

long lat ρ long lat ρEarth 3 1.5 0.04 6 3 0.10


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Asteroids are highly important in planetary ephemerides for:

Mars with more than 30 years of very accurate (< 5 meters)spacecraft tracking

global fit for all the planets: more than 35 % are Mars data

INPOP10a (Fienga et al. 2011)

24635 asteroid orbits (astorb database) integrated in INPOP

planets ↔ asteroids, asteroids ↔ asteroids, EIHKuchynka et al. 2010: List of the most probable perturbers ofinner planets (287) + ring

Mass estimations with BVLS algorithm

Study of correlations


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INPOP10a (Fienga et al. 2011)

List of the most probable perturbers + ring (Kuchynka et al. 2010)

Mass estimations with BVLS algorithm

Study of correlations → Fixed masses (15)


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Uncertainties of ≈ 10% on the 3 Big mass determinations


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● INPOP10aOtherK11INPOP08

0 2 4 6 8 10 12 14

804 Hispania

216 Kleopatra

21 Lutetia

65 Cybele

107 Camilla

130 Elektra

16 Psyche

52 Europa

511 Davida

41 Daphne

8 Flora

747 Winchester

139 Juewa

11 Parthenope

6 Hebe

15 Eunomia

24 Themis

29 Amphitrite

7 Iris

532 Herculina

704 Interamnia

3 Juno

324 Bamberga

2 m

3 m

5 m

5 m

5 m

7 m

10 m

10 m

10 m

12 m

13 m

16 m

17 m

17 m

21 m

22 m

26 m

27 m

28 m

33 m

34 m

56 m

94 m

Density [g.cm^−3]


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How GAIA can help ?

GAIA asteroid mass determinations

great improvement in the masses for the biggest

improvement for the mass determinations with INPOP

Satellites

small Jovian satellites

Neptune and Uranus satellites

Satellites are not yet implemented in INPOP

Asteroid orbits

24635 asteroids already implemented in INPOP

Big picture: mass + orbit + planets


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Do GAIA asteroid observations can give betterinformations on Jupiter orbit compared to the

present accuracy of Jupiter observations ?

Present observation accuracy over 6 years

VLBI Galileo observations + Flybys normal points

≈ 10 mas in geocentric (α,δ) and 2 km in geocentric distances≈ 8 mas in barycentric longitudes and latitudes

impact on the Jupiter orbit over 6 years

10−9 AU for a

10−8 for the angles

10−7 for e


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questions:

What are the impacts of such uncertainties on asteroid orbits ?

Are they observable at the level of accuracy of the GAIAobservations ?

method

Integrate asteroid orbit with different Jupiter orbits

Fit of the asteroid orbit to a reference orbit

Measurement of the differences in barycentric longitudes andlatitudes of the asteroid

3 cases

1 of the 3 Bigs: 4 Vesta

an asteroid with a close approach with Jupiter: 86 Semele

a Troyen: 588 AchillesA. Fienga May 4th, 2011 How GAIA can improve planetary ephemerides ?

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Exploring the ellipsoid of Jupiter orbit uncertainties

For one specific set of variations of Jupiter IC inducing(δλ, δ b)=(17,5) mas

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●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

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●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

0 1 2 3 4 5 6

−20

020

4060

Impact on Longitudes

t−t0 [yr]

Diff

eren

ces

in L

ongi

tude

s [m

icro

seco

nds]

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0 1 2 3 4 5 6

−20

020

4060

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0 1 2 3 4 5 6

−20

020

4060 ●

●

●

4 Vesta86 Semele588 Achilles

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Impact on Latitudes

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Diff

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ces

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cond

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●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

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4 Vesta86 Semele588 Achilles


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For various sets of variations of Jupiter IC inducing(δλ, δ b) up to 6 mas


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Preliminary Conclusions

On these 3 cases:

GAIA asteroid orbits would not be sensitive to smalldiscrepancies (< 6 mas) of the Jupiter orbit

But what about looking for specific close approaches ?

what about other planets ? Mars, Earth with NEO, Neptunewith TNO ?

Next steps

Make a selection of the most perturbed asteroids in order tooptimize the results

Make the modelling more realistic !


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The end


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how gaia asteroids can improve planetary ephemerides · jpl de, epm,inpop same modelling expect for...

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