Эффект «Пионера»

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Иллюстрация выхода космических аппаратов за пределы Солнечной системы

Эффект «Пионера» (эффект «Пионеров», аномалия «Пионеров») — наблюдаемое отклонение в траектории движения различных космических аппаратов от ожидаемой (рассчитанной по текущей модели движения космических тел). Эффект был обнаружен при наблюдении за первыми космическими аппаратами, достигшими внешних пределов Солнечной системы (преодолевших орбиту Плутона), — «Пионер-10» и «Пионер-11». Оба «Пионера» замедляются под совместным действием силы гравитации Солнца и других сил, однако при очень точном определении ускорения (замедления) аппаратов и сравнении его с теоретически рассчитанным обнаруживается дополнительная очень слабая сила неизвестной природы, отличная от всех других известных сил, влияющих на аппараты.

Хотя однозначного и общепринятого в научном мире объяснения данному феномену не имеется, в настоящее время наиболее вероятно, что этот эффект имеет тепловую природу и объясняется анизотропией интенсивности теплового излучения энергетических элементов аппаратов[1]. Ранее рассматривались (и рассматриваются) самые различные гипотезы происходящего: от простых технических (например, реактивная сила от утечки газа в аппарате) до введения новых физических законов.

Эффект[править | править вики-текст]

Эффект обнаруживается в данных телеметрии, собираемых для вычисления скорости и пройденного расстояния «Пионеров». При учёте всех известных сил, воздействующих на космическое тело, обнаружилось дополнительное, линейно растущее со временем, фиолетовое смещение полученного сигнала, что интерпретируется как очень слабая сила, не объяснимая текущей моделью. Данная сила вызывает постоянное ускорение аппарата в сторону Солнца, равное (8,74 ± 1,33) × 10−10 м/с²[2].

У аппаратов Вояджер-1 и Вояджер-2, чей профиль полета схож с «Пионерами», выраженного эффекта отклонения не наблюдалось. Однако исследователи отмечают, что сравнение не вполне корректно. «Пионеры» находятся в свободном полете, а их ориентация стабилизировалась за счёт собственного вращения аппаратов. У «Вояджеров» же нужная ориентация обеспечивается малыми импульсами маневровых двигателей, что может оказывать влияние на траекторию.[3]

Данные от других космических аппаратов (Галилео, Улисс) указывают на схожий с Пионерами эффект, но опять ввиду ряда причин (таких как слабое непредсказуемое влияние тяги малых реактивных двигателей, используемых для контроля пространственного положения аппарата) невозможно произвести точную численную оценку эффекта. Проект Кассини — Гюйгенс также имел влияние системы контроля положения в пространстве, что не позволяло произвести точные измерения эффекта. Полученный результат в (26,7 ± 1,1) × 10−10 м/с² не может подтвердить или опровергнуть существование аномалии[4].

Возможные объяснения эффекта[править | править вики-текст]

Существуют различные теории, объясняющие эффект Пионеров:

  • Ошибки измерения и сбора статистики[5]
  • Действительное торможение, вызванное одним из следующих факторов:
    • Гравитационное притяжение объектов пояса Койпера
    • Торможение о межпланетную среду (пыль, облака газа и т. п.)
    • Утечка газов из самих космических аппаратов
    • Электромагнитные силы, вызванные накопленным космическими аппаратами электрическим зарядом
    • Влияние тёмной материи или тёмной энергии
    • Реактивная сила от неизотропного теплового излучения аппаратов (см. также Фотонная ракета)[1][6]
  • Экзотические гипотезы (альтернативные физические теории), обращение к которым было вызвано, в частности, тем, что аномальное ускорение численно близко к произведению скорости света на постоянную Хаббла: a_p \approx c H_0[7][8]

На основе наиболее точных предсказаний орбитального движения спутников Нептуна (Нереида, Протей, Тритон)[9] было показано, что введение дополнительного ускорения, связанного с ускорением «Пионеров», должно приводить к заметным ошибкам в определении траекторий этих спутников, и аномальное ускорение «Пионеров» связано скорее всего с силами негравитационной природы[10].

Существует проект по наблюдению за астероидами в зоне действия эффекта, который позволит определить, имеет ли эффект гравитационную природу[11][12]. В настоящий момент предложено множество гипотез, в рамках которых даётся объяснение «аномалии „Пионера“», например, теория масштабно расширяющегося космоса (Карл Йохан Марелье) и МОНД (Мордехай Милгром)[13] или вращающаяся вокруг Солнца гиперсфера в рамках пятимерной теории гравитации (Владимир Беляев) [14]. Аномальное изменение скорости, подобное аномалии «Пионера», было обнаружено у четырёх космических аппаратов при гравитационном манёвре около Земли. Однако точно не установлено, вызваны ли они теми же причинами, что и рассматриваемая аномалия[15].

Объяснение: сила отдачи теплового излучения[править | править вики-текст]

В 1998 году появилась гипотеза, согласно которой эффект в полной мере может быть объяснён недооценённой силой отдачи теплового излучения[16][17][18]. Однако точная оценка сил теплового излучения была трудна, так как требовались записи телеметрии температур аппарата и его детальная теплофизическая модель, а ни того, ни другого в то время доступно не было. Более того, все температурные модели предсказывали уменьшение эффекта со временем, чего в изначальном анализе не обнаружилось.

Один за другим эти препятствия были решены. Многие старые записи телеметрии были найдены и оцифрованы.[19] Они дали графики энергопотребления и температуры блоков аппарата. Несколько команд построили подробные температурные модели,[20][21][22] которые могли быть проверены на известных данных температур и энергопотребления, и позволили количественно вычислять силу давления теплового излучения. Длительный интервал навигационных записей показывал, что ускорение реально уменьшалось.[23]

В июле 2012 года Слава Турышев с сотрудниками опубликовали статью в Physical Review Letters, которая объясняла аномалию:

Мы исследовали возможность аномального ускорения аппаратов Пионер 10 и Пионер 11 из-за силы отдачи, связанной с анизотропным испусканием теплового излучения аппаратами. Для этого, опираясь на проектную документацию, мы построили исчерпывающую теплофизическую модель конечных элементов обоих аппаратов. Потом мы численно решили уравнения теплопередачи и излучения, используя данные реальной телеметрии в качестве граничных условий. Мы использовали результаты этой модели для расчета эффекта силы тепловой отдачи Пионера 10 на различных гелиоцентрических дистанциях. Мы нашли, что величина, временно́е поведение и направление результирующего теплового ускорения подобны свойствам наблюдаемой аномалии. Новизна нашего исследования в том, что мы разработали параметризованную модель силы тепловой отдачи и оценили коэффициенты этой модели независимо [от теплофизической модели], по навигационным данным доплеровского слежения. Мы не нашли статистически значимой разницы между двумя оценками и считаем, что когда сила тепловой отдачи учтена точно, аномального ускорения не остаётся.

— Physical Review Letters[24]

Эта статья — наиболее детальный анализ на сегодня. Объяснение, базирующееся на силе тепловой отдачи, было поддержано и другими исследовательскими группами, использовавшими различные техники вычислений. Статьи включают утверждения: «Давление тепловой отдачи не является причиной аномалии пролёта „Розетты“, но, вероятно, решает аномалию ускорения, наблюдаемую для Пионера 10.»[22] и «Это показывает, что всё аномальное ускорение может быть объяснено температурными эффектами».[25]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth, Jordan Ellis, and Craig B. Markwardt Support for temporally varying behavior of the Pioneer anomaly from the extended Pioneer 10 and 11 Doppler data sets (англ.) // Phys. Rev. Letters. — 2011.
  2. John D. Anderson, Philip A. Laing, Eunice L. Lau, Anthony S. Liu, Michael Martin Nieto, Slava G. Turyshev Study of the anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11 (англ.) // Physical Review D. — 2002. — Т. 65. — № 8. — С. 082004.
  3. The Pioneer Anomaly. Проверено 20 февраля 2013. Архивировано из первоисточника 26 февраля 2013.
  4. John D. Anderson, Eunice L. Lau, Giacomo Giampieri. Improved Test of General Relativity with Radio Doppler Data from the Cassini Spacecraft. Архивировано из первоисточника 28 августа 2011.
  5. Computer sleuths try to crack Pioneer anomaly
  6. Ответственность за эффект "Пионера" возложили на геометрию аппаратов // Lenta.ru. — 31.03.2011.
  7. Masreliez C. J., The Pioneer Anomaly — A cosmological explanation. preprint (2005) Ap&SS, v. 299, no. 1, pp. 83-108.
  8. S. G. Turyshev. The Pioneer Anomaly: Effect, New Data and New Investigation // Seminar at the Sternberg Astronomical Institute. Moscow State University, Moscow, 6 February 2007.
  9. Jacobson R. A. The orbits of the Neptunian satellites and the orientation of the pole of Neptune (англ.) // ApJ. — 2009. — Т. 704. — С. 4322—4329.
  10. Iorio L. Does the Neptunian system of satellites challenge a gravitational origin for the Pioneer anomaly? (англ.) // arxiv.org. — 2009.
  11. New Scientist
  12. Science Compulenta
  13. CNews
  14. Belayev, W.B. «Central Field in Rotating Spherical Space in 5D». Frontiers in Science 2 (6). DOI:10.5923/j.fs.20120206.05.
  15. Аномальное ускорение обнаружено в четырех космических миссиях // Lenta.ru. — 03.03.2008.
  16. Murphy, E.M. A Prosaic explanation for the anomalous accelerations seen in distant spacecraft (1998).
  17. Katz, J.I. (1999). «Comment on “Indication, from Pioneer 10/11, Galileo, and Ulysses data, of an apparent anomalous, weak, long-range acceleration”». Physical Review Letters ({APS) 83 (9): 1892--1892.}
  18. (2003) «Conventional forces can explain the anomalous acceleration of Pioneer 10». Physical Review D 67 (8). DOI:10.1103/PhysRevD.67.084021. Bibcode:2003PhRvD..67h4021S.
  19. Turyshev, S.G and Toth, V. and Kellogg, L. and Lau E. and Lee, K. (2006). «A study of the pioneer anomaly: new data and objectives for new investigation». International Journal of Modern Physics D (World Scientific) 15 (01): 1--55., pages 10-15.
  20. Bertolami, O. (2008). «Thermal analysis of the Pioneer anomaly: A method to estimate radiative momentum transfer». Physical Review D 78 (10). DOI:10.1103/PhysRevD.78.103001. Bibcode:2008PhRvD..78j3001B.
  21. Toth, V.T. and Turyshev, S.G. (2009). «Thermal recoil force, telemetry, and the Pioneer anomaly». Physical Review D (APS) 79 (4): 043011.
  22. 1 2 Rievers, B. (2011). «High precision thermal modeling of complex systems with application to the flyby and Pioneer anomaly». Annalen der Physik 523 (6). DOI:10.1002/andp.201100081. Bibcode:2011AnP...523..439R.
  23. Turyshev, S.G. and Toth, V.T. and Ellis, J. and Markwardt, C.B. (2011). «Support for temporally varying behavior of the Pioneer anomaly from the extended Pioneer 10 and 11 Doppler data sets». Physical Review Letters ({APS}) 107 (8): 81103.
  24. Support for the thermal origin of the Pioneer anomaly, Slava G. Turyshev et al, Physical Review Letters, accepted 11 April 2012, accessed 19 July 2012
  25. Orfeu Bertolami, Frederico Francisco, Paulo J. S. Gil and Jorge P´aramos. The Contribution of Thermal Effects to the Acceleration of the Deep-Space Pioneer Spacecraft (29 Nov 2012).

Ссылки[править | править вики-текст]