Vliegen naar de verre ruimte zal zeker veel mysteries met zich meebrengen, die we in zeer lange tijd niet zullen kunnen oplossen. En dit is niet verwonderlijk. Zodra de eerste boodschappers van de aarde de banen van de reuzenplaneten passeerden, gaf de ruimte ons onmiddellijk een probleem. En om het op te lossen, werd zelfs voorgesteld om de wetten van de fysica te corrigeren.
Pioniers
Amerika's ruimteverkenningsprogramma's hebben altijd klinkende namen en ambitieuze doelen gehad. Onder het Mercury-programma maakten de Amerikanen hun eerste bemande vluchten en creëerden ze het eerste astronautenkorps. In de loop van het volgende Gemini-programma werden methoden uitgewerkt om elkaar te ontmoeten en in een baan om de aarde te brengen. Het derde programma van bemande ruimtevluchten was het beruchte Apollo-programma. Het doel was bemande vluchten naar de maan. Maar voor de studie van interplanetaire ruimte en hemellichamen werd het Pioneer-programma gelanceerd.
Als onderdeel van hun missies stuurden de Verenigde Staten tussen 1958 en 1978 verschillende onderzoekssondes de ruimte in. Ruimtevaartuigen vlogen naar de zon, Venus en de maan, onderzochten kometen die ons naderden. "Pioneer-3" ontdekte de tweede stralingsgordel van de aarde, en "Pioneer-7" nam deel aan de studie van Halley's komeet. Tegenwoordig zijn twee ruimtevaartuigen van het programma bekend. Dit zijn de Pioneer-10-sondes (gelanceerd in maart 1972) en Pioneer-11 (april 1973), een van de laatste die werden gelanceerd.
Probe "Pioneer-10" tijdens montage
wikipedia.org
Promotie video:
Later lanceerde NASA andere onderzoeksprogramma's. Met nieuwe, meer geavanceerde sondes. In 1977 werden Voyager 1 en Voyager 2 al in het kader van het Voyager-programma naar de verre planeten van het zonnestelsel gestuurd. En in 2003 werd het New Frontiers-programma gelanceerd, waarbinnen New Horizons, Juno en OSIRIS-REx de ruimte in gingen. Maar in de jaren 50, toen het programma nog maar net begon, werden de apparaten in de Verenigde Staten beschouwd als pioniers van de ruimte, en daarom werden ze "Pioneers" genoemd. Pioneer 10 en Pioneer 11 waren de eerste ruimtevaartuigen die door de Main Asteroid Belt vlogen en de eersten die Jupiter van dichtbij bestudeerden.
De Pioneers hadden de eersten kunnen zijn die verder gingen dan het zonnestelsel, maar in 1998 haalde de snellere Voyager 1 de Pioneer 10 in, die de gele trui van de leider op deze zonnestelsel-tour droeg.
Afwijking
In de jaren tachtig werd voor het eerst een anomalie in de vliegbaan van de sondes ontdekt. Tegen die tijd hebben de sondes hun hoofdmissie al voltooid. Pioneer 10 vloog in december 1973 dicht bij Jupiter, specificeerde zijn massa en meet zijn magnetisch veld. Pioneer 11 naderde de planeet precies een jaar later: in december 1974. Nadat hij gedetailleerde foto's had gemaakt, ging hij naar Saturnus. In 1979 zond het apparaat beelden van de planeet en zijn satelliet Titan naar de aarde.
De hoofdmissie eindigde, maar er werd besloten om de gegevens van het volgen van de vliegroute van het Pioneer-10-ruimtevaartuig te gebruiken om, zoals nog steeds werd aangenomen, de tiende planeet van het zonnestelsel te zoeken. En nu is het de negende (na de degradatie in Pluto). Als er een afwijking in het traject zou zijn, dan zou dit, zoals wetenschappers dachten, een gevolg zijn van de zwaartekracht van een onontdekte planeet. De afwijking werd gevonden, maar de oorzaak van deze anomalie was zeker niet een planeet aan de rand van het zonnestelsel. Maar wat het meest interessant is, is dat de anomalie vervolgens werd gevonden in de dubbele sonde.
Illustratie van de uitgang van "Pioneers" en "Voyagers" buiten het zonnestelsel
wikipedia.org
Tegenwoordig vliegen voertuigen in verschillende richtingen. Pioneer 10 beweegt zich naar de rand van de Melkweg, in de richting van het sterrenbeeld Stier. Zijn tweelingbroer daarentegen bevindt zich in de richting van het centrum van de Melkweg, in de richting van het sterrenbeeld Schild. Het moet duidelijk zijn dat beide sondes nu in vrije vlucht zijn. Alleen de eerder verkregen versnelling en externe krachten hebben invloed op de vlucht van ruimtevaartuigen. Krachten zijn zwaartekracht en niet-zwaartekracht.
Onder de niet-gravitationele, bijvoorbeeld de druk van zonnestraling, die een versnelling veroorzaakt die vanuit de zon wordt gericht. En de zwaartekracht van de zon, integendeel, trekt de voertuigen naar de ster, waardoor een versnelling naar de zon wordt veroorzaakt, dat wil zeggen, het vertraagt ze. Alle krachten die de vlucht van ruimtevaartuigen kunnen beïnvloeden, worden berekend en in aanmerking genomen. Behalve één. Een onbekende en onbegrijpelijke kracht trekt de sondes terug. Zij is de reden voor het raadsel van de "Pioneers". Het vermogen is te verwaarlozen, maar het is er. De laatste berekeningen, verkregen in 2002, geven aan dat de omvang van de onverklaarbare negatieve versnelling (8,74 ± 1,33) 10–10 m / s2 is.
Dit is te verwaarlozen, maar heeft er al toe geleid dat de voertuigen al zo'n 400 duizend kilometer afwijken van het berekende traject. Het lijkt erop dat de sondes miljarden kilometers hebben gevlogen. Op het moment dat de communicatie met "Pioneer-10" (23 januari 2003) verbroken werd, was het meer dan 12 miljard kilometer bij ons vandaan. Dit zijn 82 astronomische eenheden, dat wil zeggen 82 afstanden van de aarde tot de zon. De communicatie met "Pioneer-11" ging verloren op 30 september 1995, het apparaat bevond zich al op een afstand van 6,5 miljard kilometer van de zon, of 43 AU. e.
En wat zijn deze honderdduizenden vergeleken met miljarden kilometers? Maar voor de wetenschap kunnen deze onbeduidende waarden van groot belang zijn. Afwijking van de norm, van het gebruikelijke begrip van dingen, dat wil zeggen, anomalieën kunnen duiden op de aanwezigheid van iets belangrijks, maar nog niet ontdekt. Bovendien, in astrofysica.
Een anomalie in de beweging van Uranus leidde tot de ontdekking van een nieuwe planeet - Neptunus. De anomalie in de beweging van Mercurius, ontdekt in 1859, werd alleen verklaard door de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, die hij in 1915 ontwikkelde. De oplossing voor de "Pioneers" -anomalie kan de moderne natuurkunde op zijn kop zetten of juist heel triviaal zijn. Dit is waarom het veel wetenschappers achtervolgt.
De vraag kan rijzen: hoe berekenden wetenschappers de snelheid en dienovereenkomstig de versnelling van de voertuigen? Sondes zijn al lang niet beschikbaar voor observatie. Noch Hubble, noch enige andere telescoop zal de sondes van ons kunnen zien wegvliegen. De snelheidsregeling van de sondes wordt uitgevoerd door de Doppler-frequentieverschuiving van het radiosignaal te meten, dat in de richting van de sonde wordt gestuurd en daar weer van wordt ontvangen. Het is gebaseerd op hetzelfde Doppler-effect dat wordt gebruikt om de snelheid van voertuigen te bepalen. Het effect manifesteerde zich in de vorm van de zogenaamde violette shift, de verschuiving van het radiosignaal naar het kortegolfgebied van het spectrum, wat betekent dat de sondes langzamer begonnen te worden.
Maar als we het hebben over een effect dat de beweging van twee sondes kan beïnvloeden, kan het dan ook anderen beïnvloeden? We hebben al gezegd dat er anderen waren na het Pioneer-programma. Maar de Pioneers vliegen lange tijd zonder extra koerscorrecties. Maar de vliegbaan en oriëntatie van andere sondes worden nog steeds gecorrigeerd door de thrusters. Daarom kunnen eventuele nauwkeurige metingen van het effect niet worden uitgevoerd.
Mogelijke oorzaken van de anomalie
In de loop van de jaren die zijn besteed aan het vinden van oplossingen voor deze puzzel, zijn er veel aannames gedaan. En de eerste zijn fouten in observaties en interpretatie van de verkregen gegevens. Maar hij werd vrijwel onmiddellijk verlaten. De anomalie werd aan verschillende redenen toegeschreven. Remmen op het interplanetaire medium (stof, gaswolken, etc.). De aantrekkingskracht van objecten uit de Kuipergordel. Lekkend gas, zoals helium, gebruikt als werkvloeistof in radio-isotopengeneratoren. De reden werd ook gezocht in de elektromagnetische krachten veroorzaakt door de geaccumuleerde elektrische lading van de sondes. En het werd natuurlijk toegeschreven aan de invloed van donkere materie of donkere energie. Niet zonder suggesties om de bestaande fysica te corrigeren. Eerdere aannames boden een niet-gravitationele verklaring voor het effect. In 1983 stelde de Israëlische natuurkundige Mordechai Milgrom de zogenaamde theorie van gemodificeerde Newtoniaanse dynamica (MOND) voor. Ze is een voorbeeld van een alternatieve zwaartekrachttheorie. Volgens MOND moet de Newtoniaanse mechanica worden gecorrigeerd als we te maken hebben met lichamen die bewegen met een extreem lage versnelling.
De reden voor de abnormale versnelling van de "Pioneers" lijkt echter gevonden te zijn. Maar laten we eerst wat zeggen over het ontwerp van de apparaten. De sondes zijn uitgerust met wetenschappelijke instrumenten en een paraboolantenne met een diameter van 2,75 meter voor communicatie met de aarde. Al deze apparatuur had stroom nodig. Kijk naar de constructie van de Pioneers. Zie je daarin zonnepanelen die bekend zijn bij satellieten? Niet. Voor ruimtevaartuigen die de verre planeten van het zonnestelsel verkennen, heeft het geen zin in zonnepanelen. Naarmate je dieper de ruimte in gaat, neemt de intensiteit van zonnestraling af. De energie van de zon is niet langer voldoende voor de werking van zonnecellen.
Schema van het "Pioneer-10" -apparaat
wikipedia.org
In tegenstelling tot sondes die naar de binnenste planeten van ons systeem vliegen, zijn aan boord radio-isotoop thermo-elektrische generatoren met plutonium-238 geïnstalleerd voor vluchten naar Jupiter, Saturnus en andere verre planeten. Dit zijn geen kernreactoren. Ze werken op een andere manier. Radio-isotopengeneratoren gebruiken thermische energie, die vrijkomt tijdens het natuurlijke verval van radioactieve isotopen en die met behulp van een thermo-elektrische generator in elektriciteit wordt omgezet. Plutonium-238 is zo'n radioactieve isotoop, waarvan het verval de apparatuur aan boord van de sondes aandrijft. Elke sonde heeft vier generatoren, die zijn bevestigd op twee drie meter lange stempelstangen, weg van de wetenschappelijke instrumenten van het apparaat.
Een onderzoeksteam werd gevormd bij het Jet Propulsion Laboratory van het Amerikaanse National Aerospace Agency om de afwijking van Pioneers te bestuderen. Het werd geleid door onze landgenoot, afgestudeerd aan de afdeling Natuurkunde van de Staatsuniversiteit van Moskou Vyacheslav Turyshev. De onderzoekers waren in staat om een wiskundig model te bouwen dat de abnormale versnelling van de "Pioneers" voor minstens 70% verklaart. Volgens hen zit het hele punt in de warmtefluxen die vanuit de sonde in verschillende richtingen komen. En de belangrijkste warmtebron zijn radio-isotopengeneratoren, die energie leverden aan de apparatuur aan boord. Er werd warmte gegenereerd door de werking van de instrumenten. Toen de instrumenten werden uitgeschakeld, werd er steeds meer energie besteed aan het verwarmen van de sondes. Warmte werd de ruimte ingestraald. Het was de kracht van de terugslag van thermische straling die werd onderschat bij het berekenen van de geschatte vliegbaan. De warmtestralingsdruk is echter ongelijk. Tijdens de vlucht worden de sondes gestabiliseerd door rond de lengteas te draaien. De warmte die loodrecht op de lengteas wordt uitgestraald, wordt in alle richtingen gelijkmatig afgevoerd en heeft geen invloed op de beweging van de sondes. Maar er is ook straling langs de as. En het straalt ongelijkmatig uit. Uit berekeningen is gebleken dat de warmteflux die wordt uitgestraald in de bewegingsrichting van de voertuigen een groter rendement geeft dan die in de tegenovergestelde richting, dat wil zeggen, deze overmeestert en remwerking veroorzaakt.dat wil zeggen, het overmeestert het en veroorzaakt een remmend effect.dat wil zeggen, het overmeestert het en veroorzaakt een remmend effect.
Achteraanzicht van de zendantenne
nasa.org
Maar wat is de reden voor de resterende 30%? Misschien hebben natuurkundigen van het Portugese Instituut voor Plasma en Nucleaire Fusie een verklaring gevonden. Ze volgden hetzelfde pad als de groep van Turyshev. Maar we hebben meer aandacht besteed aan de zendantenne van de sondes, die, zoals we ons herinneren, een diameter van bijna drie meter heeft. Nadat ze nieuwe berekeningen hadden gemaakt op basis van hun wiskundige model van de sondes, kwamen ze tot de conclusie dat de warmtestraling die wordt gereflecteerd vanaf de achterkant van de antenne dezelfde ontbrekende impuls geeft.
Welnu, het mysterie dat de wetenschappers achtervolgde, lijkt te zijn opgelost. De mensheid blijft de ruimte verkennen. Voor nieuwe puzzels en een spannende zoektocht naar hun oplossingen.
naturalphilosophy.org
Sergey Sobol