Последам одной аномалии: загадка блуждающих спутников

Открытка с почвы На случай встречи с внеземным разумом «Пионеры» укомплектованы позолоченными алюминиевыми пластинками с посланием от землян: координаты Солнца по отношению к 15 пульсарам, схема Нашей системы, женщины и рисунок мужчины на фоне зонда и ключ для расшифровки — изображение перехода электрона атома водорода из одного состояния в второе.
Пионеры дальнего космоса Межпланетные зонды Pioneer 10 и Pioneer 11 стали «первыми ласточками», посланными в дальний космос.

Главным пунктом их научной программы было изучение Юпитера, но в программу миссии Pioneer 11 в качестве опыта был включен гравитационный маневр в полёт тяготения и поле юпитера к Сатурну.
Аномальное ускорение На графике продемонстрировано совсем маленькое аномальное ускорение межпланетных зондов Pioneer 10 и Pioneer 11 по мере их удаления от Солнца.
Научные инструменты межпланетных зондов Pioneer 10 и Pioneer 11

Ученые испытывают двойственное отношение к странностям, каковые часто появляются на протяжении изучений. С одной стороны, они приводят к чувству бдительности, и это ясно. Так как по определению аномалия — это необычное, необыкновенное либо неповторимое событие, которое не поддается объяснению на базе общепринятых теорий.

Исходя из этого ее появление — сигнал потенциальной опасности, что вероятно значит, что какая-то область научного знания испытывает недостаток в корректировке, в противном случае и полной перестройке. Одновременно с этим вправду нетривиальные странности обещают, а подчас и предсказывают важные прорывы и потому создают шансы для исследователей, готовых побороться за лидерство на передовых пределах собственной науки.

Неудивительно, что аномалия, открытая 13 лет назад, скоро приобрела большую известность и все еще интригует любителей и специалистов научных тайных. Это так называемая аномалия «Пионеров» (The Pioneer Anomaly).

Космические близнецы

В первой половине семидесятых годов прошлого века отечественную планету покинули два совсем однообразных космических зонда, которым в первый раз в истории космонавтики предстояло затеряться в межзвездном пространстве. Их миссия заключалась в изучении газовых планет-гигантов, куда еще не долетали космические аппараты. По окончании исполнения главной задачи суда должны были выйти на гиперболические траектории и покинуть Солнечную совокупность.

Обе межпланетные станции были запущены в рамках американского проекта, начатого в конце 50-х годов. В те времена все работы в области космонавтики велись под руководством минобороны США — в частности, первый американский неестественный спутник Почвы Explorer-1 был выведен на орбиту военными ракетчиками.

Руководство ВВС, со своей стороны, разрешило запуск и разработку космических аппаратов, талантливых достигнуть второй космической скорости и выйти за пределы земного тяготения. Произошло так, что имя для этих аппаратов внес предложение приписанный к ВВС эксперт по организации выставок Стивен Салига. Он увидел, что работа публичных связей Армии США нарекла собственных ракетчиков первопроходцами (pioneers) космического пространства.

Салига порекомендовал применять это слово в качестве заглавия космических судов ВВС — дабы всем стало очевидным, кто осуществляет самые дальние полеты. Так оказалось, что новому семейству космических аппаратов было присвоено неспециализированное имя Pioneer, которое потом сохранило и NASA. Первые запуски была неудачными, и лишь Pioneer 5, стартовавший 11 марта 1960 года, выполнил поставленную задачу по измерению магнитных полей, космических лучей и солнечного ветра в пространстве между Венерой и Землёй.

«Пионеры», о которых отправится обращение, имели номера 10 и 11. Любой нес по 11 научных инструментов и, конечно, аппаратуру для связи. Эти устройства питались от радиоизотопных термоэлектрических генераторов, трудящихся на тепле, выделяющемся при распаде плутония-238.

На каждом зонде было по четыре таких генератора, попарно укрепленных на выносных трехметровых штангах. Оба корабля вращались около собственных продольных осей так, дабы их параболические радиоантенны были все время направлены на Землю.

Pioneer 10 был запущен 2 марта 1972 года, его брат-близнец — 5 апреля 1973 года. Станции совершили запланированные пролеты мимо Юпитера, а Pioneer 11 в первых числах Сентября 1979 года совершил кроме этого рандеву с Сатурном. Их бортовая аппаратура трудилась еще много лет по окончании встречи с планетами.

Pioneer 11 прекратил выходить на сообщение в ноябре 1995 года, по окончании того как удалился на 6,5 млрд километров от Солнца (43 а.е.). Сигналы с первого зонда поступали значительно продолжительнее, впредь до 23 января 2003 года (к этому времени станция пребывала в 82 а.е. от отечественной планеты — другими словами более чем в 12 млрд километров).

В последних числахМарта 2011 года, на протяжении написания данной статьи, Pioneer 10 отдалился от Солнца на 103 а.е., а Pioneer 11 — на 83 а.е. (очевидно, эти оценки основаны только на расчете траекторий — обе станции с Почвы уже давно ненаблюдаемы). Они спешат в противоположные стороны — Pioneer 10 пытается к периферии отечественной Галактики, а Pioneer 11 — к ее центру.

Необычные силы

Первые годы зонды двигались в строгом соответствии с расчетами, но потом появились странности — сами по себе ничтожные, но необъяснимые. Анализ радиометрических данных (это были доплеровские сдвиги длин волн приходящих от судов сигналов) продемонстрировал, что они удаляются от центра Нашей системы чуть-чуть медленней, чем надеется по законам небесной механики.

Создавалось чувство, что на зонды действует не только солнечное и планетарное тяготение, но и еще какая-то весьма не сильный сила, ориентированная в сторону Солнца и потому создающая ускорение в этом же направлении. Величина этого ускорения была не то что малой, но совсем ничтожной, меньше 10-9 м/с2. Эти аберрации, именуемые сейчас аномалией «Пионеров», в первый раз увидели в первой половине 80-ых годов двадцатого века, в то время, когда расстояние между Pioneer 10 и Солнцем достигло 20 а.е. (Pioneer 11 нашёл их при удалении от Солнца всего на 15 а.е.).

Перемещение станций отслеживали сотрудники известной Лаборатории реактивного перемещения (Jet Propulsion Laboratory, JPL), аффилированной с Калифорнийским технологическим университетом. Они убедили управление NASA разрешить исследовательскую программу для изучения найденной странности. Осуществление данной программы началось в 1995 году в партнерстве с личной калифорнийской компанией Aerospace Corporation.

Через три года участники проекта опубликовали первый отчет, основанный на радиометрических данных, взятых от Pioneer 10 в 1987—1995 годах и от Pioneer 11 до октября 1990 года. Результаты свидетельствовали, что величина аномального ускорения обеих станций практически однообразна и примерно равна 8х10−10 м/с2. И было совсем уж необычно, что величина этого ускорения фактически не изменилась, не обращая внимания на то что за время наблюдения любой из зондов в два раза увеличил собственную расстояние от Солнца.

Сотрудники Лаборатории реактивного перемещения и дальше занималисьаномалией «Пионеров». В 2002 году был опубликован еще один отчет, подтвердивший прошлые выводы. Авторы заключили, что самая правдоподобная оценка таинственного ускорения обоих судов образовывает (8,74±1,33)х10-10 м/с2.

Ученые не смогли растолковать эту аномалию ни одной из известных физических обстоятельств. Ее не получалось списать ни на давление солнечного света, ни на удары частиц солнечного ветра. Эти механизмы создают очень не сильный силовые действия, к тому же направленные от Солнца, а не к Солнцу.

Совершенно верно так же не помогал ни учет торможения корабля частицами космической пыли, ни притяжение трансплутоновых космических тел, составляющих пояс Койпера.

Потому, что апробированная физика очевидно не сработала, не было недочёта в экзотических моделях. Аномалию «Пионеров» неоднократно пробовали приписать влиянию чёрной материи, и истолковывали как указание на необходимость внесения поправок в теорию тяготения — и в ньютоновскую, и в эйнштейновскую. Эту аномалию кроме того пробовали растолковать посредством космологических эффектов, которые связаны с расширением Вселенной.

В общем, догадок появилось множество, но объяснения странности до сих пор как не было, так и нет.

Изучение архивов

За последние пара лет исследователи в Лаборатории реактивного перемещения произвели детальнейший анализ огромного массива информации, имеющей отношение к перемещению «Пионеров». Окончательных выводов еще нет, но очень многое стало яснее. Об этом «Популярной механике» поведал начальник группы по изучению странности «Пионеров» Вячеслав Турышев.

Для начала имеет суть отыскать в памяти о двух хороших странностях из истории изучения Нашей системы. Приблизительно к 1840 году астрологи увидели, что перемещение Урана по небесной сфере мало отличается от траектории, рассчитанной на основании законов небесной механики. В то время, когда эта аномалия сделалась очевидной, ей начали искать объяснения.

Одни астрологи утверждали, что орбиту Урана искажает притяжение до тех пор пока что не открытой планеты, расположенной еще дальше от Солнца. Другие предлагали более радикальное ответ — ньютоновский закон глобального тяготения испытывает недостаток в поправках. Как мы знаем, правы первенствовали , а вторые ошибались.

Об этом свидетельствует сделанное во второй половине 40-ых годов XIX века открытие Нептуна, заблаговременно вычисленного французом Урбеном Леверье и британцем Джоном Адамсом.

Вторая аномалия провалилась сквозь землю совсем в противном случае. Приблизительно в те же годы астрологи убедились, что Меркурий также ведет себя пара «не правильно». Для интерпретации расхождений между вычислениями и наблюдениями тот же Леверье в 1855 году выдвинул догадку о существовании одного либо нескольких небесных тел, находящихся на орбите Солнца в орбиты Меркурия и полностью скрытых от земных наблюдателей солнечным сиянием.

Эта версия была ошибочной, и меркурианскую аномалию удалось всецело растолковать только посредством релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном.

«Так, две весьма похожие странности разрешились полярным образом, — говорит Турышев. — Фундаментальная теория, в контексте которой проявились аберрации перемещения Урана (конкретно — ньютоновская небесная механика), была покинута без трансформаций, а сами аберрации удалось связать с малоизвестным ранее внешним причиной — притяжением трансурановой планеты. Во втором случае все случилось наоборот — неучтенные внешние помехи не обнаружились, а ньютоновская теория тяготения уступила эйнштейновской.

Появляется вопрос: по какой схеме разрешится аномалия ‘Пионеров’? Отечественной группе за последние годы удалось собрать воедино фактически всю дешёвую данные по обоим судам. Ко мне входят и навигационные эти со станций слежения, и телеметрия с бортовой аппаратуры.

Объем накопленных сведений по Pioneer 10 в два с половиной раза больше первоначально употреблявшегося массива. А по Pioneer 11 таких данных больше на порядок. Исходя из этого сейчас возможно с еще большей уверенностью, нежели в прошлом, утверждать, что аномалия вправду имеет место и что она фактически однообразна для обоих зондов».

Объяснение на 70 процентов

В этом, само собой разумеется, нет ничего принципиально нового, но группе Турышева удалось сделать значительно больше. Станции имели возможность общаться с Почвой, потому, что на них трудились радиоизотопные генераторы, от которых питалась вся бортовая аппаратура. Конечно, что эти устройства выделяли тепло, которое уходило в космос в виде инфракрасного излучения. Помимо этого, суда нагревались солнечным светом и опять-таки переизлучали тепло в пространство, не смотря на то, что за орбитой Сатурна данный эффект был малозначимым.

Исследователям из Лаборатории реактивного перемещения удалось выстроить и просчитать математическую модель этих тепловых потоков. Крайне важно, что она максимально учитывает конкретную архитектуру каждого зонда и исходя из этого позволяет точно делать выводы, как именно он отдает тепловую энергию.

Что же из этого оказалось? Станции были стабилизированы вращением около продольной оси. Тепло, которое излучалось перпендикулярно данной оси — так сообщить, с боковой поверхности, — из-за вращения рассеивалось во все стороны и на перемещение зондов не воздействовало.

А вот фотоны, каковые уходили на протяжении оси, все время сохраняли направление и исходя из этого создавали отдачу, которая уже имела возможность отразиться на скорости. Один финиш данной оси был направлен на внутреннюю область Нашей системы, другими словами практически на Солнце, а второй — на ее периферию. Расчеты продемонстрировали, что тепловые фотоны создавали чуть громадную отдачу в сторону Солнца, нежели в противоположном направлении.

Это и свидетельствует, что инфракрасное излучение зондов породило весьма не сильный силу, подталкивающую суда к Солнцу.

Но из-за чего величина странности была практически однообразной за все время наблюдений, не смотря на то, что мощность генераторов неспешно ослабевала из-за распада плутония? Дело в том, что бортовые устройства трудились в ступенчатом режиме и с течением времени все чаще и чаще отключались. Генераторы давали меньше энергии, но все солидная и большинство ее расходовалась не на работу аппаратуры, а на пассивный прогрев судов.

Исходя из этого и оказалось, что за время наблюдений аномальное ускорение выяснилось довольно стабильным.

«А сейчас перейдем к самому занимательному, — продолжает Вячеслав Турышев. — Отечественная модель растолковывает это ускорение, но не всецело, а только приблизительно на 70 процентов. Что делать с остатком, пока не светло. Необъясненная часть образовывает приблизительно 2х10−10 м/с2.

Интересно, что именно эту величину дают вычисления, сделанные на основании так называемой модифицированной ньютоновской динамики (Modified Newtonian Dynamics, сокращенно MOND), предложенной в первой половине 80-ых годов XX века израильским физиком Мордехаем Мильгромом. Эта теория говорит, что ньютоновская механика испытывает недостаток в поправках в тех случаях, в то время, когда она имеет дело с телами, движущимися с очень малым ускорением.

Само собой разумеется, это возможно несложным совпадением, но очень возможно, что энтузиасты данной теории отнесутся к нашим итогам как к доводу в ее помощь. Сам я склонен вычислять, что за данный остаток несут ответственность какие-то пока не учтенные, но не такие уж экзотические обстоятельства. Но, время продемонстрирует».

Итак, аномалия «Пионеров» по большей части растолкована. Но все же не закрыта. Возможно, с ней удастся совсем совладать, не завлекая никакой новой физики, но нельзя исключать, что ее предстоящее изучение принесет ученым настоящие сюрпризы.

В общем, продолжение направляться.

Странности и научные революции

Странности появляются и в опытах, и в теории. К примеру, в конце XIX столетия физики нашли малоизвестные и, основное, не предсказанные ранее излучения — рентгеновские лучи, альфа-, бета- и гамма-частицы. Эти открытия в полной мере заслуженно были восприняты как важные странности, а на данный момент любой школьник знает, какое влияние они оказали на научный прогресс.

А вот еще пример из того же времени. В апреле 1900 года известный физик Уильям Томсон, взявший за научные заслуги титул лорда Кельвина, прочел в Английском королевском университете лекцию «Облака над динамической теорией тепла и света, унаследованные от XIX столетия». Обращение велась как раз об странностях — и каких!

Одну из них Кельвин усмотрел в итогах оптического опыта, выполненного во второй половине 80-ых годов XIX века американскими физиками Альбертом Майкельсоном и Эдуардом Морли. Посредством интерферометра они пробовали найти перемещение Почвы довольно неподвижного эфира, в котором, как тогда вычисляли, распространяется свет и другие электромагнитные волны. Но итог был нулевым.

Второе затруднение, кроме этого отмеченное Кельвином, относилось к кинетической теории газов, созданной еще в середине XIX столетия. Она разрешала вычислять отношение теплоемкостей газов, определенных при постоянном давлении и постоянном объёме. Опыт продемонстрировал, что для газов, складывающихся из двухатомных молекул, такое отношение равняется 1,4.

Теория допускала результат при условии, что молекулы полностью твёрдые, а это противоречило данным об их оптических спектрах. Совсем растолковать первую аномалию смогла лишь эйнштейновская теория относительности, а вторая взяла объяснение только по окончании создания квантовой механики.

Конечно, многие научные странности выясняются пустышками, появившимися из-за элементарных неточностей опыта либо неадекватной интерпретации результатов. Так, в 1903 году очень глубокоуважаемый французский физик-экспериментатор Рене Блондло поразил научный мир сообщением, что газоразрядные трубки испускают ранее малоизвестное проникающее излучение, не предусмотренное законами физики.

У него нашлись десятки приверженцев, каковые опубликовали более трех сотен статей в подтверждение «открытия». Но через несколько лет физики заключили, что «N-лучей» Блондло попросту не существует, так что эта аномалия была хоть и сенсационной, но короткоживущей. Помимо этого, кроме того подлинные странности значительно чаще говорят о неполадках местного значения и вовсе не становятся прелюдией научных революций.

Аномалия

Аномалия не поддается объяснению с позиций общепринятых теорий. исходя из этого ее появление — сигнал потенциальной опасности, что вероятно значит, что какая-то область научного знания испытывает недостаток в корректировке, в противном случае и полной перестройке

Вооружен до зубов

Не обращая внимания на то что оба «Пионера» несли на борту «межзвездные открытки», основной их нагрузкой стали научные инструменты для изучения окрестностей Юпитера.

Любой аппарат нес 11 научных инструментов. Наряду с этим масса аппарата составляла менее 260 кг, а источником питания помогали четыре радиоизотопных термоэлектрических генератора, трудившихся от тепла распада плутония-238 и выдававших на старте около 155 Вт. Для уменьшения влияния радиации на устройства зонда генераторы были расположены попарно на двух выносных трехметровых штангах.

А вот компьютеров на борту зондов не было — электроника умела лишь принимать и делать команды с Почвы. «Пионеры» не несли и фотокамер- фотосъемка "настойчиво попросила" бы стабилизации аппарата по всем трем осям, а двигатели и гироскопы не укладывались по энергопотреблению и массе. Любой аппарат вращался около продольной оси, антенна постоянно смотрела на Землю.

Но в NASA сообразили, что наличие эффектных снимков Юпитера — это весьма хороший пиар, исходя из этого Том Герелс из Аризонского университета специально для «Пионеров» создал изображающий фотополяриметр — умный оптический прибор, талантливый трудиться на вращающейся платформе. В эффектные снимки его сигналы преобразовывались уже на Земле посредством компьютеров.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№104, июнь 2011).

Секретные территории.Исследование Фобоса 28.10.2015

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Спутники плутона помогут открыть новые миры

  Ученым, каковые стремятся больше определить о способах обнаружения новых семейств планет, направляться обратить внимание на его спутник и Плутон Харон….

• Новая технология tesla motors позволит проехать 640 км на одной зарядке

  Trip Chowdhry, управляющий директор Equity Research уверен, что производитель электромобилей Tesla Motors сооружает новую гибридную аккумуляторную…

• 10 Доказательств того, что мы слишком мало знаем о мире

  Отличие между учёным и умником в том, что умник постоянно заявляет о том, что он знает довольно много, а ученый в большинстве случаев говорит, что он…