Tag - problem pionierrów

Jak rozwiązano tajemniczą anomalię sond Pioneer?

Pionieer 10

… czyli opowieść o fizyce, projektowaniu statków kosmicznych i… nurkowaniu w śmietniku…

Zanim sondy Voyager 1 i Voyager 2 zbadały zewnętrzny Układ Słoneczny, Pioneer 10 i Pioneer 11 utorowały im drogę. Rozpoczęte odpowiednio w 1972 i 1973 roku misje tych statków kosmicznych były pierwszymi, które przeszły przez pas asteroid, i jako pierwsze wykonały dokładne obserwacje Jowisza (zarówno Pioneer 10 jak i Pioneer 11), jak i Saturna (Pioneer 11). Podobnie jak ich następcy, Voyagery, jak i sonda New Horizons, obaj pionierzy minęli orbitę Plutona i będą nadal pędzili na zewnątrz Układu Słonecznego.

Wyposażona w cztery generatory radioizotopowe plutonu-238 sonda Pioneer posiadała mnóstwo urządzeń badawczych, które pozwoliły na robienie zdjęć i dokonywanie szczegółowych pomiarów przestrzeni kosmicznej wokół Jowisza i Saturna oraz zewnętrznych regionach Układu Słonecznego.

Sondy Pionieer miały pewne unikalne cechy konstrukcyjne, które pozwalały na bardzo dokładne śledzenie przez ziemskie stacje odbiorcze. Obie sondy były stabilizowane obrotami (co oznacza, że ​​obracali się wokół centralnego punktu, aby nie chybotali się na boki i nie zmieniali trajektorii) i wymagały bardzo niewielu korekt kursu, które mogłyby zakłócić ich ruch. Połączenie układu nadajnik-odbiornik na pokładzie statku kosmicznego i naziemnego śledzenia przy wykorzystaniu efektu Dopplera pozwoliło na śledzenie ich przyspieszenia z niemal niewiarygodną dokładnością rzędu 10-10 metrów na sekundę do kwadratu (m/s2). Statki Voyager, które nie były stabilizowane spinem a ich działanie polegało na częstszym korzystaniu z silników odrzutowych, nie mogą być śledzone aż do tego poziomu dokładności.

Pionieer

Pioneer H, który jest identyczny z Pioneerami 10 i 11, wisi na wystawie w National Air and Space Museum w Waszyngtonie. Foto: Peter Bernstein

Pojawia się anomalia

Pionierzy są do tej pory uważani za najdokładniej śledzony i nawigowany statek kosmiczny. Ta zadziwiająca dokładność w odniesieniu do pomiaru przyspieszenia pionierów doprowadziła do niezwykłego odkrycia. Zrozumiałe było, że sondy spowolnią się do pewnego stopnia ze względu na przyciąganie grawitacyjne Słońca. Ale kiedy pionierzy osiągnęli prędkość ucieczki od Słońca i ostatecznie opuścili Układ Słoneczny, naukowiec z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA zauważył, że pionierzy zwalniali więcej niż to przewidywały dane. Wystąpiło to u obu sond, objawiając się przyśpieszeniem słonecznym o wartości 8,74 ± 1,33 × 10-10 m/s2.

Chociaż może to wydawać się bardzo małą różnicą w zmierzonym przyspieszeniu od przewidywanego przyspieszenia, doprowadziło to do tego, że pionierzy pozostawali tysiące kilometrów bliżej Ziemi w skali roku niż powinni. To zjawisko bardzo zaintrygowało naukowców, którzy zaczęli badać ten problem. Nawet tak małe, niewyjaśnione przyspieszenie w kierunku słońca sugerowało możliwe załamanie się zasady grawitacji opisanej przez ogólną teorię względności.

Wielu ludzi zaczęło interesować się omawianym problemem. Dlaczego pionierzy zwalniali? Wiele czynników uznano za możliwe przyczyny tego niewyjaśnionego spowolnienia, które później stało się znane jako anomalia Pioneera. Pojawiło się szereg pytań i hipotez. Czy u podstaw anomalii może stać nasze błędne rozumienie praw fizyki? Czy siły grawitacyjne z otaczającego ośrodka międzygwiezdnego, który wypełnia przestrzeń między gwiazdami, mogą być inne niż się spodziewano? Czy pył mógłby spowodować opór na statku kosmicznym? Czy anomalia była spowodowana prawdopodobnie wtórną siłą promieniowania słonecznego? Czy nasze obliczenia dotyczące dokładnego położenia Ziemi w stosunku do statku kosmicznego mogą być nieprawidłowe? Czy coś związanego ze statkiem kosmicznym – zużytym ciepłem, uszkodzonym sterownikiem lub wyciekiem gazu – spowodowało anomalię?

Poza teoretycznymi problemami, przed którymi stanęli naukowcy, pojawił się kolejny, bardziej konkretny problem: informacje techniczne i nagrania danych Pioneera potrzebnych do rozwiązania problemu były przechowywane na papierze lub na 7- i 9-ścieżkowych magnetycznych taśmach danych. Identyfikacja tych źródeł danych (z których niektóre były przechowywane w skrzynkach pod klatkami schodowymi lub w drodze na śmietnik celem zniszczenia), odzyskanie sprzętu potrzebnego do odczytywania taśm i przekształcenie wszystkich tych informacji w nowoczesne formaty multimedialne było trudnym wyzwaniem technicznym i logistycznym. Towarzystwo Planetarne pomogło zebrać fundusze, aby pomóc naukowcom takim jak Slava Turyshev i jego współpracownicy w przezwyciężeniu tych wyzwań.

Taśmy Pionieer

Duża część danych Pioneera była przechowywana na taśmach magnetycznych. Źródło: NASA/JPL

Pojawia się wyjaśnienie

Kiedy rozważano wszystkie te możliwości, jedna potencjalna przyczyna anomalii Pioneera wielokrotnie wysuwała się na pierwszy plan: efekty termiczne, w większości pochodzące z czterech RTG na pokładzie każdego Pioniera. Aby w pełni przeanalizować to podejrzenie, Turyshev i jego współpracownicy (w szczególności Viktor Toth) wykorzystali przewidywane i rzeczywiste pomiary termiczne, aby stworzyć bardzo dokładny model termiczny statku kosmicznego. Najpierw modelowali wpływ ogrzewania od Słońca na Pionieery. Następnie zwrócili się w kierunku źródeł ciepła na statku kosmicznym. Ciepło z RTG promieniowało w kierunku przedniej krawędzi statku kosmicznego, w kierunku jego ruchu, a ciepło z skrzynki elektroniki również pierwotnie promieniowało w tym samym kierunku. Wywołało to presję skierowaną na Słońce (do tyłu) przez cały statek kosmiczny. W rezultacie całkowite nagrzanie jednostki, gdy uwzględniono wszystkie czynniki, było asymetryczne. Ostatecznie Turyshev i jego współpracownicy doszli do wniosku, że siły promieniowania pochodzące z różnic ogrzewania powierzchni statku kosmicznego, znanego jako siły odrzutu termicznego, od RTG i elektroniki, wystarczyły, by wyjaśnić całą anomalię Pioneera. Dodatkowa analiza wykazała, że ​​anomalia Pioneera również wydaje się zmniejszać z czasem, prawdopodobnie w wyniku rozpadu promieniotwórczego RTG i powolnego spadku mocy wyjściowej, co stanowi dalsze poparcie wniosków wyciągniętych przez Turysheva.

Ostatecznie teoria względności nie została obalona, ​​nasze rozumienie fizyki nie jest wadliwe, anomalia Pioneera została wyjaśniona ku zadowoleniu ludzi a pytania zostało odstawione. Ale historia anomalii Pioneera pokazuje, jak pomiary w nauce mogą generować nowe pytania, kwestionować stare pomysły i stymulować nowe sposoby rozwiązywania złożonych problemów.

Źródło, foto: Astronomy.com