Rozwiązana zagadka anomalii sond Pioneer

0

Po wnikliwej analizie archiwalnych zapisów, naukowcy znaleźli odpowiedź na nurtujące od lat pytanie, dlaczego bliźniacze sondy Pioneer 10 i Pioneer 11 zwalniają w niespodziewanej skali. Okazuje się, że odpowiedzialnym za tzw. „Anomalię Pioneera” jest ciepło emitowane podczas przepływu prądu przez instrumenty oraz pochodzące z termoelektrycznego systemu zasilania. Wyniki badań zostały opublikowane w Physical Review Letters.

Na początku lat 70 minionego stulecia, gdy już podejmowano misje kosmiczne w obrębie najbliższego otoczenia Ziemi, przyszła kolej na odległe obszary Układu Słonecznego. Realizację tego procesu rozpoczęły sondy Pioneer 10 i 11, wystrzelone odpowiednio w roku 1972 i 1973. Jako pierwsze obiekty skonstruowane przez człowieka przekroczyły one pas planetoid rozciągający się między orbitami Marsa i Jowisza, po czym zbliżyły się do gazowych olbrzymów. Po 40 latach, odkąd Pioneer 10 wystartował z przylądka Canaveral na pokładzie rakiety Atlas – Centaur, oba statki doczekały się już kilku naśladowców, takich jak Voyager, Ulysses, czy Cassini. „Anomalia Pioneera”, czyli różnica w przewidzianej i faktycznej pozycji statku, dotyczy jednakże głównie tych dwóch sond.

Pierwsze rozbieżności pomiędzy stanem prognozowanym, a realnym zaobserwowano na początku lat 80, kiedy Pioneery kierowały się ku Saturnowi. Odległość statku kosmicznego od Ziemi można dokładnie wyznaczyć, znając czas jaki wysłany przez niego sygnał radiowy potrzebuje na dotarcie do stacji naziemnej. Okazało się, że Pioneery były nieco bliżej, niż wynikałoby to z obliczeń. Podobne wnioski dawały badania efektu Dopplera. Wspomniana różnica wyniosła ok. 100 tys. km, czyli zaledwie 0,0007 j.a., co przy dystansie blisko 20 j.a., jaki wówczas sondy przebyły, uznano za błąd pomiarowy. Dopiero w ostatniej dekadzie poprzedniego stulecia, gdy efekt nie ustawał, postanowiono bliżej przyjrzeć się temu zagadnieniu.

W 1998 r. zespół naukowców pod kierownictwem Johna Andersona z JPL, wykonał dokładne wyliczenia wielkości związanych z „Anomalią Pioneera”. Odkryto istnienie stałego przyspieszenia w kierunku Słońca o wartości8,74 ± 1,33) × 10−10 m/s2 (ta liczba to ok. 0,9 nanometrów na sekundę kwadrat!). To właśnie ono było odpowiedzialne za hamowanie pojazdów, ale jego pochodzenie skrywał woal tajemnicy.

Przez kolejne lata snuto liczne teorie na temat źródeł wystąpienia „Anomalii Pioneera”, przypuszczano nawet, że uderza ona w prawdziwość teorii względności Einsteina. W końcu dochodzenia w tej sprawie podjął się Sława Turyszew, rosyjski fizyk pracujący w JPL. Od 2004 r. zaczął on nietuzinkowy proces gromadzenia starych danych i telemetrii przesyłanych przez Pioneery. Zadanie to okazało się nie lada wyzwaniem, gdyż dane przechowywano na kartach dziurkowanych. Jednakże Rosjanin i jego koledzy dotarli oraz przestudiowali nagrania taśm magnetycznych zawierających pożądane zapisy. Taśmy te przechowywano w kilkunastu pudłach, gdzieś w zakamarkach JPL, nie przypuszczając nawet, że jeszcze kiedyś okażą się przydatne. Ekipa zdołała także pozyskać zdigitalizowane pliki dostępne na komputerach nawigatorów JPL, którzy uczestniczyli w sterowaniu pojazdami. Jak na współczesne możliwości technologiczne 43 gigabajtów uzyskanych danych nie brzmi imponująco, ale nie zapominajmy, że lot Pioneerów zaczął się 4 dekady temu.  Prowadząc „pionierskie” dochodzenie Turyszew nie pozostawał bez wsparcia. The Planetary Society pomogło mu w zgromadzeniu funduszy nawołując swych członków do przekazania datków. W finansowanie projektu zaangażowało się także NASA. Kanadyjski programista, Viktor Toth, pomógł fizykowi w opracowaniu programu komputerowego, zdolnego odczytać telemetrię z taśm magnetycznych i oczyścić stare dane.

Podczas wnikliwej analizy historycznych danych zrodziła się nowa hipoteza przyczyn „Anomalii Pioneera”. Mianowicie uznano, że prawdopodobnie wywołuje ją strata ciepła emitowanego przez radioizotopowe generatory termoelektryczne (RTG) na pokładzie statków. W oparciu o te przypuszczenia, naukowcy sporządzili model termiczny sondy, zdołali obliczyć ciepło emitowane przez podzespoły elektryczne oraz rozpad plutonu w źródłach mocy sond. Pozwoliło im to na potwierdzenie swojej tezy. Wyniki badań opublikowano w 2012 r.

W tym miejscu warto zastanowić się, czy podobne „problemy” faktycznie nie dotyczą innych sond międzyplanetarnych. Okazało się, że dotyczą, ale w mniejszej skali. „Anomalia Pioneera” jest najbardziej widoczna w przypadku tych dwóch sond, w dużej części ze względu na ich budowę. W odróżnieniu od Voyagera na przykład, posiadającego stabilizację trójosiową, w Pioneerze zastosowano stabilizowanie obrotowe, co powoduje wzmocnienie efektu.

„Historia znów się powtarza, gdyż okazuje się, że tradycyjne prawa fizyki mają rację bytu” mówi Turyszew. „Oczywiście, odkrycie nowych praw fizyki byłoby ekscytujące, w każdym bądź razie odnaleźliśmy rozwiązanie zagadki.” O samym efekcie mówi zaś: „ To taki efekt jak przy prowadzeniu samochodu, gdy fotony z przednich świateł ciągną pojazd do tyłu”.

Statki Pioneer 10 i 11 zakończyły już swą misję naukową i od 2002 r. nie przesłały na Ziemię żadnego sygnału (Pioneer 10, natomiast Pioneer 11 od 1995 r.). Pioneer 10 będzie kontynuować swój kosmiczny rejs oddalając się od centrum Galaktyki, a jeśli nic nie przerwie trgo lotu, za 2 mln lat dotrze do gwiazdy Aldebaran w gwiazdozbiorze Byka. Pioneer 11 natomiast porusza się w przeciwnym kierunku, zmierzając w stronę gwiazdozbioru Tarczy.

Oba statki wiozą na swych pokładach przekazach dla potencjalnych znalazców. Są to aluminiowe płytki pokryte cienką warstwą złota, na których wygrawerowano m.in. nagie postacie kobiety i mężczyzny.

(NASA)

Zdjęcie Jowisza wykonane przez sondę Pioneer 10/ Credits: NASA

 

Obraz słynnej płytki na pokładzie Pioneerów 10. Przekaz dla potencjalnego znalazcy/ Credits: NASA

Share.

Comments are closed.