Latanie w kosmos z pewnością przyniesie wiele tajemnic, których nie będziemy w stanie rozwiązać bardzo długo. I nie jest to zaskakujące. Gdy tylko pierwsi posłańcy Ziemi minęli orbity gigantycznych planet, przestrzeń kosmiczna natychmiast przysporzyła nam problemu. Aby go rozwiązać, zaproponowano nawet poprawienie praw fizyki.
Pionierzy
Amerykańskie programy eksploracji kosmosu zawsze miały głośne nazwy i ambitne cele. W ramach programu Mercury Amerykanie wykonali pierwsze loty załogowe i stworzyli pierwszy korpus astronautów. W ramach kolejnego programu Gemini opracowano metody spotkania i dokowania na orbicie. Trzecim programem załogowych lotów kosmicznych był słynny program Apollo. Jego celem były załogowe loty na Księżyc. Jednak w celu badania przestrzeni międzyplanetarnej i ciał niebieskich uruchomiono program Pioneer.
W ramach swoich misji Stany Zjednoczone wysłały kilka sond badawczych w kosmos w latach 1958-1978. Statek kosmiczny poleciał do Słońca, Wenus i Księżyca, badał zbliżające się do nas komety. „Pioneer-3” odkrył drugi pas promieniowania Ziemi, a „Pioneer-7” wziął udział w badaniu komety Halleya. Obecnie dobrze znane są dwa statki kosmiczne programu. Są to sondy Pioneer-10 (wprowadzone na rynek w marcu 1972 r.) I Pioneer-11 (kwiecień 1973 r.), Jedne z ostatnich wprowadzonych na rynek.
Sonda „Pioneer-10” w trakcie montażu
wikipedia.org
Film promocyjny:
Później NASA uruchomiła inne programy badawcze. Z nowymi, bardziej zaawansowanymi sondami. W 1977 roku, już w ramach programu Voyager, Voyager 1 i Voyager 2 zostały wysłane na odległe planety Układu Słonecznego. A w 2003 roku uruchomiono program New Frontiers, w ramach którego New Horizons, Juno i OSIRIS-REx wyruszyły w kosmos. Ale w latach 50., kiedy program dopiero się zaczynał, jego urządzenia w Stanach Zjednoczonych uchodziły za pionierów kosmosu i dlatego nazywano je „pionierami”. Pioneer 10 i Pioneer 11 były pierwszymi statkami kosmicznymi, które przeleciały przez Główny Pas Asteroid i pierwszymi, które badały Jowisza z bliskiej odległości.
Pionierzy mogli być pierwszymi, którzy wyszli poza Układ Słoneczny, ale w 1998 roku szybszy Voyager 1 wyprzedził Pioneera 10, który miał żółtą koszulkę lidera podczas tej wycieczki po Układzie Słonecznym.
Anomalia
Po raz pierwszy anomalia na torze lotu sond została odkryta w latach 80. W tym czasie sondy zakończyły już swoją główną misję. Pioneer 10 przeleciał blisko Jowisza w grudniu 1973 roku, określając jego masę i mierząc jego pole magnetyczne. Pioneer 11 zbliżył się do planety dokładnie rok później: w grudniu 1974 roku. Po wykonaniu szczegółowych zdjęć udał się na Saturna. W 1979 roku urządzenie przesłało na Ziemię obrazy planety i jej satelity Tytana.
Główna misja dobiegła końca, ale zdecydowano się wykorzystać dane z monitorowania toru lotu statku kosmicznego Pioneer-10 do poszukiwania, jak nadal zakładano, dziesiątej planety Układu Słonecznego. A teraz jest dziewiąty (po degradacji w Plutonie). Gdyby nastąpiło odchylenie trajektorii, to, jak wierzyli naukowcy, byłoby to konsekwencją grawitacji nieodkrytej planety. Odchylenie zostało znalezione, ale przyczyną tej anomalii w żadnym wypadku nie była planeta na skraju Układu Słonecznego. Ale, co najciekawsze, anomalia została następnie znaleziona w bliźniaczej sondzie.
Ilustracja przedstawiająca wyjście „Pionierów” i „Podróżników” poza Układ Słoneczny
wikipedia.org
Obecnie pojazdy latają w różnych kierunkach. Pioneer 10 zmierza w kierunku krawędzi Drogi Mlecznej, w kierunku konstelacji Byka. Z drugiej strony jego bliźniak znajduje się w centrum Galaktyki, w kierunku konstelacji Tarczy. Należy rozumieć, że obie sondy są teraz w locie swobodnym. Jedynie uzyskane wcześniej przyspieszenie i siły zewnętrzne wpływają na lot statku kosmicznego. Siły są grawitacyjne i nie grawitacyjne.
Spośród niegrawitacyjnych np. Ciśnienie promieniowania słonecznego, powodujące przyspieszenie skierowane od Słońca. I przeciwnie, grawitacja Słońca przyciąga pojazdy w kierunku gwiazdy, powodując przyspieszenie skierowane w kierunku Słońca, to znaczy je spowalnia. Wszystkie siły, które mogą wpływać na lot statku kosmicznego, są obliczane i brane pod uwagę. Z wyjątkiem jednego. Jedna nieznana i niezrozumiała siła odciąga sondy. To ona jest przyczyną zagadki Pionierów. Moc jest znikoma, ale jest. Najnowsze obliczenia z 2002 roku wskazują, że wielkość niewyjaśnionego ujemnego przyspieszenia wynosi (8,74 ± 1,33) 10–10 m / s2.
Jest to znikome, ale już doprowadziło do odchylenia pojazdów o około 400 tysięcy kilometrów od obliczonej trajektorii. Wydawałoby się, że sondy przeleciały miliardy kilometrów. W momencie utraty łączności z „Pioneerem-10” (23 stycznia 2003 r.) Był on oddalony od nas o ponad 12 miliardów kilometrów. To 82 jednostki astronomiczne, czyli 82 odległości od Ziemi do Słońca. Komunikacja z „Pioneer-11” została utracona 30 września 1995 r., Urządzenie znajdowało się już w odległości 6,5 miliarda kilometrów od Słońca, czyli 43 AU. mi.
A czym są te setki tysięcy w porównaniu z miliardami kilometrów? Ale dla nauki te nieznaczące wartości mogą mieć wielkie znaczenie. Odchylenie od normy, od zwykłego rozumienia rzeczy, czyli anomalie, mogą wskazywać na obecność czegoś znaczącego, ale wciąż nieodkrytego. Ponadto w astrofizyce.
Anomalia w ruchu Urana doprowadziła do odkrycia nowej planety - Neptuna. Anomalia w ruchu Merkurego, odkryta w 1859 roku, została wyjaśniona jedynie przez ogólną teorię względności Alberta Einsteina, którą opracował w 1915 roku. Rozwiązanie anomalii „pionierów” może wywrócić do góry nogami współczesną fizykę lub wręcz przeciwnie, być całkiem trywialne. Dlatego nawiedza wielu naukowców.
Może powstać pytanie: w jaki sposób naukowcy obliczyli prędkość, a co za tym idzie, przyspieszenie pojazdów? Sondy od dawna były niedostępne do obserwacji. Ani Hubble, ani żaden inny teleskop nie będzie w stanie zobaczyć odlatujących od nas sond. Kontrola prędkości sond odbywa się poprzez pomiar przesunięcia częstotliwości Dopplera sygnału radiowego, który jest wysyłany w kierunku sondy i odbierany od niej. Opiera się na tym samym efekcie Dopplera, który służy do określania prędkości pojazdów. Efekt przejawiał się w postaci tzw. Przesunięcia fioletowego, czyli przesunięcia sygnału radiowego w obszar krótkofalowy widma, co oznacza, że sondy zaczęły zwalniać.
Ale jeśli mówimy o efekcie, który może wpływać na ruch dwóch sond, to może wpływać również na inne? Powiedzieliśmy już, że po programie Pioneer byli inni. Ale Pionierzy latają bez dodatkowych korekt kursu przez długi czas. Ale tor lotu i orientacja innych sond są nadal korygowane przez silniki odrzutowe. Dlatego nie można dokonać dokładnych pomiarów efektu, jeśli taki występuje.
Możliwe przyczyny anomalii
Przez lata, które poświęcono na znalezienie rozwiązania tej zagadki, wysunięto wiele założeń. Pierwsza to błędy w obserwacjach i interpretacji uzyskanych danych. Ale został prawie natychmiast porzucony. Anomalia została przypisana różnym przyczynom. Hamowanie w ośrodku międzyplanetarnym (pył, chmury gazu itp.). Przyciąganie grawitacyjne obiektów z pasa Kuipera. Wyciekający gaz, taki jak hel, używany jako płyn roboczy w generatorach radioizotopów. Poszukiwano również przyczyny w siłach elektromagnetycznych powodowanych przez nagromadzony ładunek elektryczny sond. I oczywiście przypisywano to wpływowi ciemnej materii lub ciemnej energii. Nie bez propozycji poprawienia istniejącej fizyki. Poprzednie założenia dostarczyły nie-grawitacyjnego wyjaśnienia tego efektu. W 1983 roku izraelski fizyk Mordechai Milgrom zaproponował tzw. Teorię zmodyfikowanej dynamiki Newtona (MOND). Jest przykładem alternatywnej teorii grawitacji. Według MOND, gdy mamy do czynienia z ciałami poruszającymi się z ekstremalnie małymi przyspieszeniami, mechanika Newtona wymaga korekty.
Wydaje się jednak, że przyczyna anomalnego przyspieszenia „pionierów” została znaleziona. Ale najpierw powiedzmy trochę o konstrukcji urządzeń. Sondy są wyposażone w instrumenty naukowe i antenę paraboliczną o średnicy 2,75 metra do komunikacji z Ziemią. Cały ten sprzęt wymagał zasilania. Spójrz na konstrukcję pionierów. Czy widzisz w nim panele słoneczne znane satelitom? Nie. Dla statków kosmicznych badających odległe planety Układu Słonecznego panele słoneczne nie mają sensu. Im głębiej w kosmos, tym intensywność promieniowania słonecznego maleje. Energia słoneczna nie wystarcza już do działania ogniw słonecznych.
Schemat aparatu „Pioneer-10”
wikipedia.org
W przeciwieństwie do sond lecących na wewnętrzne planety naszego układu, radioizotopowe generatory termoelektryczne wykorzystujące pluton-238 są instalowane na pokładzie podczas lotów na Jowisz, Saturn i inne odległe planety. To nie są reaktory jądrowe. Działają w inny sposób. Generatory radioizotopów wykorzystują energię cieplną, która jest uwalniana podczas naturalnego rozpadu izotopów promieniotwórczych i za pomocą generatora termoelektrycznego przekształcają ją w energię elektryczną. Pluton-238 jest właśnie takim radioaktywnym izotopem, którego rozpad zasila sprzęt na pokładzie sond. Każda sonda ma cztery generatory, które są zamocowane na dwóch trzymetrowych prętach wysięgników, z dala od naukowych instrumentów aparatury.
W Jet Propulsion Laboratory amerykańskiej National Aerospace Agency utworzono zespół badawczy w celu zbadania anomalii Pioneers. Na jej czele stanął nasz rodak, absolwent Wydziału Fizyki Uniwersytetu Moskiewskiego Wiaczesław Turyshev. Naukowcom udało się zbudować model matematyczny, który wyjaśnia anomalne przyspieszenie „pionierów” o co najmniej 70%. Ich zdaniem chodzi o strumienie ciepła płynące z sondy w różnych kierunkach. Głównym źródłem ciepła są generatory radioizotopów, które dostarczały energię do urządzeń pokładowych. Podczas pracy instrumentów wytwarzano ciepło. W miarę wyłączania instrumentów coraz więcej energii przeznaczano na ogrzewanie sond. Ciepło zostało wypromieniowane w przestrzeń. To siła odrzutu promieniowania cieplnego została niedoszacowana przy obliczaniu szacunkowej ścieżki lotu. Jednak ciśnienie promieniowania cieplnego jest nierównomierne. Podczas lotu sondy są stabilizowane przez obracanie się wokół osi podłużnej. Ciepło wypromieniowane prostopadle do osi podłużnej jest rozpraszane równomiernie we wszystkich kierunkach i nie wpływa na ruch sond. Ale wzdłuż osi występuje również promieniowanie. I nierównomiernie promieniuje. Obliczenia wykazały, że strumień ciepła wypromieniowany w kierunku ruchu pojazdów daje większy powrót niż idący w kierunku przeciwnym, czyli go obezwładnia i powoduje efekt hamowania.to znaczy obezwładnia go i powoduje efekt hamowania.to znaczy obezwładnia go i powoduje efekt hamowania.
Widok z tyłu anteny nadawczej
nasa.org
Ale jaki jest powód pozostałych 30%? Być może fizykom z Portugalskiego Instytutu Plazmy i Fuzji Jądrowej udało się znaleźć wyjaśnienie. Poszli tą samą drogą, co grupa Turysheva. Ale zwróciliśmy większą uwagę na antenę nadawczą sond, która, jak pamiętamy, ma prawie trzy metry średnicy. Po przeprowadzeniu nowych obliczeń na podstawie ich modelu matematycznego sond doszli do wniosku, że promieniowanie cieplne odbite od tylnej strony anteny daje ten sam brakujący impuls.
Cóż, tajemnica, która nawiedziła naukowców, wydaje się być rozwiązana. Ludzkość nadal bada kosmos. Nowe zagadki i ekscytujące poszukiwanie ich rozwiązań.
naturalphilosophy.org
Sergey Sobol