Аномалия Pioneer: Объяснение замедления космических аппаратов

Аномалия Pioneer: необъяснимое замедление космических аппаратов Pioneer 10 и 11 при выходе из Солнечной системы. Причина – анизотропное излучение тепла.

12 мин чтения

100%

Источник: Pioneer anomaly — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Отклонение в замедлении космического аппарата

Аномалия Пионера, или эффект Пионера, представляло собой наблюдаемое отклонение от предсказанных ускорений космических аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11» после того, как они прошли примерно в своих траекториях за пределы Солнечной системы. Очевидная аномалия долгое время вызывала большой интерес, но впоследствии была объяснена анизотропным давлением излучения, вызванным теплопотерями космических аппаратов. Оба аппарата «Пионер» покидают Солнечную систему, но замедляются под воздействием гравитации Солнца. При тщательном изучении навигационных данных было обнаружено, что замедление аппаратов происходило несколько сильнее, чем ожидалось. Эффект заключался в крайне слабом ускорении в сторону Солнца, составляющем 8,74, что эквивалентно уменьшению скорости удаления от Солнца на 1 км/ч в течение десяти лет. Оба космических аппарата были запущены в 1972 и 1973 годах. Аномальное ускорение было впервые замечено еще в 1980 году, но серьезно исследовано лишь в 1994 году. Последняя связь с обоими аппаратами была установлена в 2003 году, однако анализ записанных данных продолжается. Для объяснения аномалии предлагались различные гипотезы, касающиеся как поведения космических аппаратов, так и самой гравитации. В период с 1998 по 2012 год одно конкретное объяснение стало общепринятым. Космические аппараты, окруженные сверхвысоким вакуумом и питаемые от радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов), могут рассеивать тепло только посредством теплового излучения. Если конструкция аппарата приводит к тому, что большая часть тепла излучается в определенном направлении (явление, известное как радиационная анизотропия), то аппарат будет испытывать небольшое ускорение в направлении, противоположном избыточному излучению, из-за отталкивания тепловыми фотонами. Если избыточное излучение и связанное с ним давление излучения направлены преимущественно в сторону, противоположную Солнцу, то скорость удаления аппарата от Солнца будет уменьшаться быстрее, чем можно было бы объяснить ранее известными силами, такими как гравитация и незначительное трение из-за межпланетной среды (несовершенного вакуума). К 2012 году несколько работ, выполненных разными группами и повторно анализирующих силы давления теплового излучения, присущие космическим аппаратам, показали, что тщательный учет этих сил объясняет всю аномалию; таким образом, причина оказалась тривиальной и не указывает на какое-либо новое явление или необходимость пересмотра законов физики. Наиболее детальный анализ на сегодняшний день, проведенный некоторыми из первоначальных исследователей, рассматривает два метода оценки тепловых сил и приходит к выводу, что «нет статистически значимой разницы между двумя оценками и [ ] что после корректного учета силы теплового отталкивания аномального ускорения не остается».

The Pioneer anomaly, or Pioneer effect, was the observed deviation from predicted accelerations of the Pioneer 10 and Pioneer 11 spacecraft after they passed about on their trajectories out of the Solar System. The apparent anomaly was a matter of much interest for many years but has been subsequently explained by anisotropic radiation pressure caused by the spacecraft's heat loss. Both Pioneer spacecraft are escaping the Solar System but are slowing under the influence of the Sun's gravity. Upon very close examination of navigational data, the spacecraft were found to be slowing slightly more than expected. The effect is an extremely small acceleration towards the Sun, of 8.74, which is equivalent to a reduction of the outbound velocity by 1 km/h over a period of ten years. The two spacecraft were launched in 1972 and 1973. The anomalous acceleration was first noticed as early as 1980 but not seriously investigated until 1994. The last communication with either spacecraft was in 2003, but analysis of recorded data continues. Various explanations, both of spacecraft behavior and of gravitation itself, were proposed to explain the anomaly. Over the period from 1998 to 2012, one particular explanation became accepted. The spacecraft, which are surrounded by an ultra high vacuum and are each powered by a radioisotope thermoelectric generator (RTG), can shed heat only via thermal radiation. If, due to the design of the spacecraft, more heat is emitted in a particular direction by what is known as a radiative anisotropy, then the spacecraft would accelerate slightly in the direction opposite of the excess emitted radiation due to the recoil of thermal photons. If the excess radiation and attendant radiation pressure were pointed in a general direction opposite the Sun, the spacecraft's velocity away from the Sun would be decreasing at a rate greater than could be explained by previously recognized forces, such as gravity and trace friction due to the interplanetary medium (imperfect vacuum). By 2012, several papers by different groups, all reanalyzing the thermal radiation pressure forces inherent in the spacecraft, showed that a careful accounting of this explains the entire anomaly; thus the cause is mundane and does not point to any new phenomenon or need to update the laws of physics. The most detailed analysis to date, by some of the original investigators, explicitly looks at two methods of estimating thermal forces, concluding that there is "no statistically significant difference between the two estimates and [ ] that once the thermal recoil force is properly accounted for, no anomalous acceleration remains."

Описание

Пионер-10 и Пионер-11 были отправлены в миссии к Юпитеру и Юпитеру/Сатурну соответственно. Оба космических аппарата были стабилизированы вращением, чтобы удерживать их высокоусиливающие антенны, направленными на Землю, используя гироскопические силы. Хотя аппараты были оснащены двигателями, после прохождения планет они использовались лишь для полугодовых маневров конического сканирования, предназначенных для отслеживания положения Земли на её орбите, переводя их в длительную фазу "круиза" во внешней Солнечной системе. В течение этого периода с обоими аппаратами неоднократно осуществлялась связь для получения различных измерений их окружения, предоставляя ценную информацию даже после завершения их основных миссий. Поскольку аппараты двигались практически без дополнительных стабилизирующих импульсов во время "круиза", можно было характеризовать плотность солнечной среды по её влиянию на движение аппаратов. Во внешней Солнечной системе этот эффект можно было легко рассчитать, основываясь на наземных измерениях параметров межпланетного пространства. Когда эти эффекты, вместе со всеми другими известными, были учтены, вычисленное положение аппаратов "Пионер" не совпало с измерениями, основанными на времени возвращения радиосигналов, передаваемых с аппаратов. Они последовательно показывали, что оба аппарата находились ближе к внутренней Солнечной системе, чем следовало бы, на тысячи километров – величина небольшая по сравнению с расстоянием до Солнца, но всё же статистически значимая. Это кажущееся расхождение со временем увеличивалось по мере повторения измерений, что указывало на то, что фактор, вызывающий аномалию, продолжал действовать на аппараты. По мере нарастания аномалии, казалось, что аппараты двигались медленнее, чем ожидалось. Измерения скорости аппаратов с использованием эффекта Доплера подтвердили это: наблюдаемое красное смещение было меньше ожидаемого, что означало, что "Пионеры" замедлились сильнее, чем предполагалось. После учёта всех известных сил, действующих на аппараты, оставалась очень небольшая, но необъяснимая сила. Она, по-видимому, вызывала приблизительно постоянное ускорение в сторону Солнца, равное 8,74 для обоих аппаратов. Если предсказывать положение аппаратов за год вперёд, основываясь на измеренной скорости и известных силах (в основном гравитации), то в конце года они оказывались примерно на 400 км ближе к Солнцу, чем было предсказано. В настоящее время считается, что эта аномалия объясняется силами тепловой отдачи.

Pioneer 10 and 11 were sent on missions to Jupiter and Jupiter/Saturn respectively. Both spacecraft were spin stabilised in order to keep their high gain antennas pointed towards Earth using gyroscopic forces. Although the spacecraft included thrusters, after the planetary encounters they were used only for semiannual conical scanning maneuvers to track Earth in its orbit, leaving them on a long "cruise" phase through the outer Solar System. During this period, both spacecraft were repeatedly contacted to obtain various measurements on their physical environment, providing valuable information long after their initial missions were complete. Because the spacecraft were flying with almost no additional stabilization thrusts during their "cruise", it is possible to characterize the density of the solar medium by its effect on the spacecraft's motion. In the outer Solar System this effect would be easily calculable, based on ground based measurements of the deep space environment. When these effects were taken into account, along with all other known effects, the calculated position of the Pioneers did not agree with measurements based on timing the return of the radio signals being sent back from the spacecraft. These consistently showed that both spacecraft were closer to the inner Solar System than they should be, by thousands of kilometres—small compared to their distance from the Sun, but still statistically significant. This apparent discrepancy grew over time as the measurements were repeated, suggesting that whatever was causing the anomaly was still acting on the spacecraft. As the anomaly was growing, it appeared that the spacecraft were moving more slowly than expected. Measurements of the spacecraft's speed using the Doppler effect demonstrated the same thing: the observed redshift was less than expected, which meant that the Pioneers had slowed down more than expected. When all known forces acting on the spacecraft were taken into consideration, a very small but unexplained force remained. It appeared to cause an approximately constant sunward acceleration of 8.74 for both spacecraft. If the positions of the spacecraft were predicted one year in advance based on measured velocity and known forces (mostly gravity), they were actually found to be some 400 km closer to the sun at the end of the year. This anomaly is now believed to be accounted for by thermal recoil forces.

Пояснение: сила теплового отталкивания

Начиная с 1998 года, высказывались предположения, что сила тепловой отдачи была недооценена и, возможно, могла объяснить всю аномалию. Однако точный учет тепловых сил был затруднен, поскольку требовались телеметрические записи температур космического аппарата и детальная тепловая модель, ни того, ни другого в то время не было доступно. Более того, все тепловые модели предсказывали уменьшение эффекта со временем, чего не наблюдалось в первоначальном анализе. Эти возражения рассматривались последовательно. Многие старые телеметрические записи были найдены и преобразованы в современные форматы. Это позволило получить данные о энергопотреблении и некоторые температуры для отдельных частей космического аппарата. Несколько групп разработали детальные тепловые модели, которые можно было проверить по известным температурам и мощностям, что позволило количественно рассчитать силу отдачи. Более длительный период навигационных записей показал, что ускорение действительно уменьшалось. В июле 2012 года Slava Turyshev и др. опубликовали статью в журнале Physical Review Letters, объясняющую аномалию. В работе исследовалось влияние силы тепловой отдачи на "Пионер-10", и было сделано заключение, что "после корректного учета силы тепловой отдачи аномального ускорения не остается".

Показания из других миссий

Пионеры были уникально приспособлены для обнаружения этого эффекта, поскольку они летели в течение длительных периодов времени без дополнительных коррекций курса. Большинство глубоких космических зондов, запущенных после "Пионеров", либо останавливались у одной из планет, либо использовали реактивные двигатели на протяжении всей миссии. "Вояджеры" выполняли миссию с профилем, аналогичным "Пионерам", но не были стабилизированы вращением. Вместо этого им требовались частые включения двигателей для управления ориентацией, чтобы сохранять выравнивание с Землей. Космические аппараты, такие как "Вояджеры", приобретают небольшие и непредсказуемые изменения скорости как побочный эффект частых маневров управления ориентацией. Этот "шум" делает невозможным измерение малых ускорений, таких как эффект "Пионеров"; ускорения порядка 10−9 м/с2 были бы незаметны. После прибытия "Кассини" к Сатурну, он сбросил значительную часть своей массы за счет топлива, использованного при торможении для выхода на орбиту и при отделении зонда "Гюйгенс". Это увеличивает ускорение, вызванное силами излучения, поскольку они действуют на меньшую массу. Это изменение ускорения позволяет измерять силы излучения независимо от гравитационного ускорения. Сравнение данных, полученных во время перелета и на орбите Сатурна, показывает, что для "Кассини" почти все неучтенное ускорение было вызвано силами излучения, с небольшим остаточным ускорением, значительно меньшим, чем ускорение "Пионеров", и противоположным по знаку. Негравитационное ускорение глубокого космического зонда "New Horizons" было измерено примерно равным 1,25 × 10−9 м/с2 в направлении Солнца, что несколько больше, чем эффект, наблюдаемый у "Пионеров". Моделирование тепловых эффектов указывает на ожидаемое ускорение в направлении Солнца в 1,15 × 10−9 м/с2, и, учитывая погрешности, измеренное ускорение согласуется с тепловым излучением как источником негравитационных сил. Измеренное ускорение медленно уменьшается, что ожидается в связи с уменьшением тепловой мощности РИТЭГа.

Возможные проблемы с тепловым раствором

Есть две особенности аномалии, о которых сообщалось изначально, которые не объясняются тепловым решением: периодические изменения в аномалии и возникновение аномалии вблизи орбиты Сатурна. Во-первых, аномалия демонстрирует видимую годовую периодичность и видимую звездную суточную периодичность с амплитудами, формально превышающими погрешность. Однако в той же работе также утверждается, что эта проблема, скорее всего, не связана с аномалией: «Годовые и суточные члены, вероятно, являются различными проявлениями одной и той же проблемы моделирования. [ ] Такая проблема возникает при наличии ошибок в каких-либо параметрах ориентации космического аппарата относительно выбранной системы отсчета». Во-вторых, значение аномалии, измеренное в период во время и после сближения Pioneer 11 с Сатурном, имело относительно высокую неопределенность и значительно отличалось в меньшую сторону. Статья Турышева и др. (2012) сравнивала термический анализ только с данными Pioneer 10. Аномалия Пионера оставалась незамеченной до того, как Pioneer 10 прошел орбиту Сатурна. Однако в последнем анализе отмечается: «Рисунок 2 убедительно свидетельствует о том, что ранее сообщенное «возникновение» аномалии Пионера может быть, по сути, результатом простого некорректного моделирования солнечного теплового воздействия; этот вопрос может быть разрешен при дальнейшем анализе ранних данных о траектории». Все более точные измерения и моделирование движений внешних планет и их спутников ставят под сомнение возможность гравитационной природы аномалии Пионера. Однако другие считали, что наши знания о движениях внешних планет и карликовой планеты Плутон все еще недостаточны для опровержения гравитационной природы аномалии Пионера. Те же авторы исключили существование дополнительного гравитационного ускорения типа Пионера на периферии Солнечной системы, используя выборку транснептуновых объектов. Величина эффекта Пионера (8,74) численно близка к произведению (6,59) скорости света и постоянной Хаббла, что намекает на космологическую связь, но сейчас считается, что это не имеет существенного значения. Фактически, последний обзор Лаборатории реактивного движения (2010), проведенный Турышевым и Тотом, утверждает, что он исключает космологическую связь, рассматривая более традиционные источники, в то время как другие ученые представили опровержение, основанное на физических последствиях самих космологических моделей. Гравитационно связанные объекты, такие как Солнечная система или даже Млечный Путь, не должны участвовать в расширении Вселенной — это известно как из общепринятой теории, так и по результатам прямых измерений. Это не обязательно препятствует новым физическим теориям, которые могут использовать эффекты сопротивления, связанные с планетарными секулярными ускорениями возможного космологического происхождения.

There are two features of the anomaly, as originally reported, that are not addressed by the thermal solution: periodic variations in the anomaly, and the onset of the anomaly near the orbit of Saturn. First, the anomaly has an apparent annual periodicity and an apparent Earth sidereal daily periodicity with amplitudes that are formally greater than the error budget. However, the same paper also states this problem is most likely not related to the anomaly: "The annual and diurnal terms are very likely different manifestations of the same modeling problem. [ ] Such a modeling problem arises when there are errors in any of the parameters of the spacecraft orientation with respect to the chosen reference frame." Second, the value of the anomaly measured over a period during and after the Pioneer 11 Saturn encounter had a relatively high uncertainty and a significantly lower value. The Turyshev, et al. 2012 paper compared the thermal analysis to the Pioneer 10 only. The Pioneer anomaly was unnoticed until after Pioneer 10 passed its Saturn encounter. However, the most recent analysis states: "Figure 2 is strongly suggestive that the previously reported "onset" of the Pioneer anomaly may in fact be a simple result of mis modeling of the solar thermal contribution; this question may be resolved with further analysis of early trajectory data". that increasingly accurate measurements and modelling of the motions of the outer planets and their satellites undermined the possibility that the Pioneer anomaly is a phenomenon of gravitational origin. However, others believed that our knowledge of the motions of the outer planets and dwarf planet Pluto was still insufficient to disprove the gravitational nature of the Pioneer anomaly. The same authors ruled out the existence of a gravitational Pioneer type extra acceleration in the outskirts of the Solar System by using a sample of Trans Neptunian objects. The magnitude of the Pioneer effect (8.74) is numerically quite close to the product (6.59) of the speed of light and the Hubble constant , hinting at a cosmological connection, but this is now believed to be of no particular significance. In fact the latest Jet Propulsion Laboratory review (2010) undertaken by Turyshev and Toth claims to rule out the cosmological connection by considering rather conventional sources whereas other scientists provided a disproof based on the physical implications of cosmological models themselves. Gravitationally bound objects such as the Solar System, or even the Milky Way, are not supposed to partake of the expansion of the universe—this is known both from conventional theory and by direct measurement. This does not necessarily interfere with paths new physics can take with drag effects from planetary secular accelerations of possible cosmological origin.

Модель замедления

Считалось возможным, что текущая модель не учитывает реальное замедление по ряду причин.

Гравитация

Возможно, замедление вызвано гравитационными силами из неустановленных источников, таких как пояс Койпера или темная материя. Однако это замедление не проявляется в орбитах внешних планет, поэтому любое общее гравитационное объяснение потребовало бы нарушения принципа эквивалентности (см. модифицированную инерцию ниже). Аналогично, аномалия не наблюдается в орбитах спутников Нептуна, что ставит под сомнение возможность того, что аномалия "Пионера" может быть нетрадиционным гравитационным явлением, зависящим от расстояния до Солнца.

Ошибки наблюдения или записи

Возможность наблюдательных ошибок, включающих в себя ошибки измерений и вычислений, была выдвинута как причина для интерпретации данных как аномалии. Следовательно, это могло бы привести к погрешностям аппроксимации и статистическим ошибкам. Однако дальнейший анализ показал, что значительные ошибки маловероятны, поскольку к марту 2010 года семь независимых анализов подтвердили существование аномалии «Пионер». Эффект настолько мал, что может оказаться статистической флуктуацией, вызванной различиями в методах сбора данных на протяжении всего срока службы аппаратов. За этот период было внесено множество изменений, включая изменения в принимающих устройствах, пунктах приема, системах и форматах записи данных.

Измененное определение гравитации

Модифицированная ньютоновская динамика, или гипотеза MOND, предполагает, что сила гравитации отклоняется от традиционного ньютоновского значения, подчиняясь иному закону силы при очень низких ускорениях порядка 10−10 м/с². Учитывая низкие ускорения, испытываемые космическими аппаратами во внешней Солнечной системе, MOND может проявляться, изменяя обычные гравитационные уравнения. Эксперимент по лазерной локации Луны в сочетании с данными спутников LAGEOS опровергает, что простая модификация гравитации является причиной аномалии «Пионера». Прецессия перигелия планет Солнечной системы не выявила аномального гравитационного поля, направленного к Солнцу, с величиной, достаточной для объяснения аномалии «Пионера».

Определение измененной инерции

MOND также может быть истолковано как модификация инерции, возможно, вследствие взаимодействия с энергией вакуума, и такая теория, зависящая от траектории, могла бы объяснить различные ускорения, наблюдаемые для обращающихся планет и космических аппаратов Pioneer при их выходе за пределы Солнечной системы. Также было предложено наземное испытание для поиска свидетельств иной модели модифицированной инерции.

Параметрическое время

Другое теоретическое объяснение основывалось на возможном несовпадении атомного и астрономического времени, которое могло бы приводить к такому же наблюдаемому эффекту, как и аномалия.

Небесные эфемериды в расширяющейся Вселенной

Другое предложенное объяснение аномалии «Пионер» состоит в том, что фоновое пространство-время описывается космологической метрикой Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера, которая не является плоской метрикой Минковского. В этой модели пространственно-временного многообразия свет движется равномерно относительно конформного космологического времени, в то время как физические измерения проводятся с помощью атомных часов, отсчитывающих собственное время наблюдателя, совпадающее с космическим временем. Эта разница приводит к точно такому же числовому значению и знаку эффекта Доплера, измеренному в эксперименте «Пионер». Однако, это объяснение требует, чтобы тепловые эффекты составляли лишь небольшую долю от общего эффекта, что противоречит многочисленным исследованиям, оценивающим их как основную составляющую этого эффекта.

Дальнейшие направления исследований

Возможно, но не доказано, что эта аномалия связана с аномалией пролета, которая наблюдалась на других космических аппаратах. Хотя обстоятельства очень разные (пролет планеты против круиза в глубоком космосе), общий эффект похож: небольшое, но необъяснимое изменение скорости наблюдается поверх гораздо большего обычного гравитационного ускорения. Космические аппараты Pioneer больше не предоставляют новых данных (последний контакт был 23 января 2003 года), а другие миссии в глубоком космосе, которые могли бы быть изучены (Галилео и Кассини), были намеренно утилизированы в атмосферах Юпитера и Сатурна соответственно в конце своих миссий. Это оставляет несколько вариантов для дальнейших исследований:

Дальнейший анализ полученных данных Pioneer. Это включает в себя не только данные, которые впервые были использованы для обнаружения аномалии, но и дополнительные данные, которые до недавнего времени хранились только в старых, недоступных компьютерных форматах и на носителях. Эти данные были восстановлены в 2006 году, преобразованы в более современные форматы и теперь доступны для анализа. Космический аппарат "Новые горизонты", направляющийся к Плутону, стабилизируется по вращению в течение длительных интервалов, и были предложения использовать его для исследования аномалии. Известно, что у New Horizons будет та же проблема, которая помешала получить хорошие данные в ходе круизной части миссии Cassini – его РИТЭГ установлен близко к корпусу аппарата, поэтому тепловое излучение от него, отражаясь от аппарата, будет создавать систематический толчок величиной, которую нелегко предсказать, сопоставимый или даже превышающий эффект Pioneer. Однако, надеялись, что, несмотря на значительную систематическую погрешность от РИТЭГа, можно будет наблюдать "начало" аномалии на орбите Сатурна или вблизи неё. Также была предложена специальная миссия. Для такой миссии, вероятно, потребуется выйти на гиперболическую траекторию, удаляющуюся от Солнца на расстояние более 200 а.е. Наблюдения за астероидами на расстоянии около 20 а.е. могут дать представление о том, имеет ли аномалия гравитационную природу.

Встречи и конференции по аномалии

В 2004 году в Университете Бремена состоялась встреча, посвященная аномалии "Пионер". Для изучения аномалии "Пионер" было сформировано сотрудничество Pioneer Explorer, которое провело три встречи (в 2005, 2007 и 2008 годах) в Международном институте космических наук в Берне, Швейцария, для обсуждения аномалии и поиска путей к определению ее причины.