піонери

Американські програми дослідження космічного простору завжди носили гучні імена та мали амбітні цілі. В рамках програми «Меркурій» американці здійснили свої перші пілотовані польоти і створили перший загін астронавтів. У ході наступної програми «Джеміні» були відпрацьовані методи зближення і стикування на орбіті. Третьою програмою пілотованих космічних польотів стала відома програма «Аполлон». Її метою були пілотовані польоти на Місяць. А ось для дослідження міжпланетного простору і небесних тіл була розпочата програма «Піонер».

В рамках її місій США в період з 1958 по 1978 роки відправили в космос кілька дослідних зондів. Космічні апарати літали до Сонця, Венери і Місяця, досліджували наближаються до нас комети. «Піонер-3» виявив другий радіаційний пояс Землі, а «Піонер-7» брав участь у вивченні комети Галлея. На сьогодні добре відомі два космічні апарати програми. Це запущені одними з останніх зонди «Піонер-10» (запуск здійснений в березні 1972 роки) і «Піонер-11» (квітень 1973 року).

 

Зонд «Піонер-10» в процесі складання

Надалі NASA запустило вже інші дослідницькі програми. З новими, більш досконалими зондами. У 1977 році вже в рамках програми «Вояджер» до далеких планет Сонячної системи відправили «Вояджер-1» і «Вояджер-2». А в 2003-му стартувала програма «Нові рубежі», в рамках якої в космос відправилися «Нові горизонти», «Юнона» і OSIRIS-REx. Але в 50-е, коли програма тільки починалася, її апарати в США вважалися першопрохідцями космосу, тому й були названі «Піонерами». «Піонер-10» і «Піонер-11» стали першими космічними апаратами, що пролетів через Головний пояс астероїдів, і першими, призначеними для вивчення Юпітера з близької відстані.

«Піонери» могли б першими вийти за межі Сонячної системи, але в 1998 році швидший «Вояджер-1 обігнав апарат« Піонер-10 », який мав жовту майку лідера в цьому турі по Сонячній системі.

аномалія

Вперше аномалія в польотної траєкторії зондів була виявлена ​​в 1980-х. До цього моменту зонди вже виконали свою основну місію. «Піонер-10» пролетів поруч з Юпітером в грудні 1973 року, уточнивши при цьому його масу і вимірявши магнітне поле. «Піонер-11» наблизився до планети рівно через рік: у грудні 1974 року. Зробивши докладні знімки, він відправився до Сатурну. У 1979 році апарат передав на Землю зображення планети і її супутника Титана.

Основна місія закінчилася, але дані моніторингу траєкторії польоту апарату «Піонер-10» вирішили використовувати для пошуку, як тоді ще передбачалося, десятої планети Сонячної системи. А тепер вже дев'ятою (після зниження в статусі Плутона). Якби було відхилення в траєкторії, то, як вважали вчені, це стало б наслідком гравітації ще невідкритої планети. Відхилення знайшли, але причиною цієї аномалії була аж ніяк не планета на краю Сонячної системи. Але, що найцікавіше, згодом аномалія виявилася і у зонда-близнюка.

 

Ілюстрація виходу "Піонерів" і "Вояджер" за межі Сонячної системи

Сьогодні апарати летять в різних напрямках. «Піонер-10» рухається до краю Чумацького Шляху, в напрямку сузір'я Тільця. Його близнюк, навпаки, - до центру Галактики, в напрямку сузір'я Щита. Треба розуміти, що зараз обидва зонда знаходяться у вільному польоті. Тільки отриманий раніше розгін і зовнішні сили впливають на політ космічних апаратів. Сили гравітаційні і негравітаціонние.

Серед негравітаціонних, наприклад, тиск сонячної радіації, що викликає прискорення, спрямоване від Сонця. А гравітація Сонця, навпаки, тягне апарати до зірки, викликаючи прискорення, спрямоване до Сонця, тобто уповільнює їх. Всі сили, які можуть впливати на політ космічних апаратів, підраховані і враховані. Крім однієї. Одна невідома і незрозуміла сила тягне зонди назад. Саме вона - причина загадки "Піонерів". Мізерно мала сила, але вона є. Останні розрахунки, отримані до 2002 року, кажуть, що величина нез'ясовного негативного прискорення становить (8,74 ± 1,33) 10-10 м / с2.

Це мізерно мало, але вже призвело до відхилення апаратів приблизно на 400 тисяч кілометрів від розрахункової траєкторії. Здавалося б, зонди пролетіли мільярди кілометрів. На момент втрати зв'язку з «Піонером-10» (23 січня 2003 роки) він пішов від нас більш ніж на 12 млрд кілометрів. Це 82 астрономічні одиниці, тобто 82 відстані від Землі до Сонця. Зв'язок з «Піонером-11» була втрачена 30 вересня 1995 року, апарат вже знаходився від Сонця на відстані 6,5 млрд кілометрів, або 43 а. е.

І що ці сотні тисяч у порівнянні з мільярдами кілометрів? Але для науки ці нікчемні величини можуть мати величезне значення. Відхилення від норми, від звичного розуміння речей, тобто аномалії можуть свідчити про наявність чогось значимого, але ще невідкритого. Тим більше, в астрофізиці.

Аномалія в русі Урана привела до відкриття нової планети - Нептуна. Аномалія в русі Меркурія, виявлена ​​в 1859 році, була пояснена тільки за допомогою загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, розробленої ним в 1915 році. Рішення аномалії "Піонерів" може перевернути сучасну фізику або, навпаки, буде цілком тривіальним. Ось тому вона і не дає спокою багатьом вченим.

Може виникнути питання: як вчені підрахували швидкість і, відповідно, прискорення апаратів? Зонди давно недоступні для спостереження. Ні «Хаббл», ні будь-який інший телескоп не зможуть розгледіти відлітають від нас зонди. Контроль швидкості зондів проводиться за допомогою вимірювання доплерівського зсуву частоти радіосигналу, який надсилається в напрямку до зонду і приймається від нього назад. В основі лежить той же самий доплеровській ефект, застосовуваний для визначення швидкості руху автомобілів. Проявився ефект у вигляді так званого фіолетового зсуву, зміщення радіосигналу в короткохвильову область спектра, яке означає, що зонди почали сповільнюватися.

Але якщо мова йде про ефект, який може впливати на рух двох зондів, то він же може впливати і на інші? Ми вже говорили, що після програми «Піонер» були і інші. Ось тільки «Піонери» знаходяться в польоті без додаткових коригувань курсу протягом довгого часу. А ось траєкторія польоту і орієнтація інших зондів все ще коригуються маневровими двигунами. Тому точні вимірювання ефекту, якщо вони є, зробити неможливо.

Можливі причини аномалії

За всі роки, присвячені пошуку рішень цієї загадки, було висунуто безліч припущень. І перше - це помилки в спостереженнях і інтерпретації отриманих даних. Але від нього відмовилися практично відразу. Аномалію пояснювали різними причинами. Гальмуванням про міжпланетну середу (пил, хмари газу і т. П.). Гравітаційним притяганням об'єктів пояса Койпера. Витоком газу, наприклад гелію, використовуваного як робоче тіло в радіоізотопних генераторах. Причину шукали і в електромагнітних силах, викликаних накопиченим зондами електричним зарядом. І, звичайно, списували на вплив темної матерії або темної енергії. Не обійшлося і без пропозицій скорегувати існуючу фізику. Попередні припущення давали негравітаціонних пояснення ефекту. У 1983 році ізраїльським фізиком Мордехаєм Мільгрома була запропонована так звана теорія модифікованої ньютонівської динаміки (MOND). Вона є прикладом альтернативної теорії гравітації. Згідно MOND, в тих випадках, коли ми маємо справу з тілами, що рухаються з надзвичайно малим прискоренням, ньютоновская механіка потребує поправок.

Однак причина аномального прискорення «Піонерів», здається, все-таки знайдена. Але для початку скажемо трохи про конструкції апаратів. Зонди мають на борту наукові прилади і параболічну антену діаметром 2,75 метра для зв'язку з Землею. Вся ця апаратура потребувала електроживленні. Подивіться на конструкцію "Піонерів". Бачите в ній звичні для супутників сонячні батареї? Ні. Для апаратів, які досліджують віддалені планети Сонячної системи, немає сенсу в сонячних батареях. У міру віддалення вглиб космосу інтенсивність сонячного випромінювання зменшується. Енергії Сонця вже недостатньо для роботи фотоелементів сонячних батарей.

 

Схема апарату «Піонер-10»

На відміну від зондів, що летять до внутрішніх планет нашої системи, для польотів до Юпітера, Сатурна і інших віддалених планет на борту встановлюють радіоізотопні термоелектричні генератори, що використовують плутоній-238. Це не ядерні реактори. Вони працюють за іншим принципом. Радіоізотопні генератори використовують теплову енергію, яка виділяється при природному розпаді радіоактивних ізотопів і за допомогою термоелектрогенераторов перетворять її в електроенергію. Плутоній-238 як раз і є таким радіоактивним ізотопом, розпад якого живить апаратуру на борту зондів. Кожен зонд має по чотири генератора, які закріплені на двох триметрових виносних штангах, подалі від наукових приладів апарату.

Для вивчення аномалії "Піонерів" в Лабораторії реактивного руху Національного аерокосмічного агентства США була створена дослідницька група. Її очолив наш співвітчизник, випускник фізфаку МДУ В'ячеслав Туришев. Дослідникам вдалося побудувати математичну модель, яка пояснює аномальне прискорення "Піонерів" принаймні на 70%. На їхню думку, вся справа в теплових потоках, що йдуть від зонда в різні боки. А основне джерело тепла - радіоізотопні генератори, які живили енергією бортову апаратуру. Від роботи приладів виділялося тепло. У міру відключення приладів все більша частина енергії витрачалася на нагрів зондів. Тепло випромінювалося в простір. Саме силу віддачі теплового випромінювання і недооцінили при розрахунку передбачуваної траєкторії польоту. Однак тиск теплового випромінювання нерівномірно. У польоті зонди стабілізовані за рахунок обертання навколо поздовжньої осі. Випромінюване перпендикулярно поздовжньої осі тепло розсіюється в різні боки рівномірно і на рух зондів не впливає. Але є ще випромінювання уздовж осі. І воно випромінюється нерівномірно. Розрахунки показали, що тепловий потік, що випромінюється в напрямку руху апаратів, дає більшу віддачу, ніж той, хто йде в протилежну сторону, тобто пересилює його і викликає ефект гальмування.

 

Вид з тильного боку передавальної антени

Але в чому ж причина решти 30%? Можливо, фізикам з португальського Інституту плазми і ядерного синтезу вдалося знайти пояснення. Вони пішли тим самим шляхом, що і група Туришева. Але приділили більше уваги передавальної антени зондів, яка, нагадаємо, має майже триметровий діаметр. Зробивши нові розрахунки на основі своєї математичної моделі зондів, вони прийшли до висновку, що відбите від зворотного боку антени теплове випромінювання і дає той самий, якого бракує імпульс.

Ну що ж, загадка, яка не давала спокою вченим, здається дозволена. Людство продовжує освоювати космос. Заради нових загадок і захоплюючого пошуку їх рішень.