Das Fliegen in den Weltraum wird sicherlich viele Rätsel mit sich bringen, die wir in sehr langer Zeit nicht lösen können. Und das ist nicht überraschend. Sobald die ersten Boten der Erde die Umlaufbahnen der Riesenplaneten passierten, gab uns der Weltraum sofort ein Problem. Und um es zu lösen, wurde sogar vorgeschlagen, die Gesetze der Physik zu korrigieren.
Pioniere
Amerikas Weltraumforschungsprogramme hatten schon immer klare Namen und ehrgeizige Ziele. Im Rahmen des Mercury-Programms machten die Amerikaner ihre ersten bemannten Flüge und gründeten das erste Astronautenkorps. Im Verlauf des nächsten Gemini-Programms wurden Methoden für das Rendezvous und das Andocken im Orbit erarbeitet. Das dritte Programm bemannter Raumflüge war das berüchtigte Apollo-Programm. Ihr Ziel waren bemannte Flüge zum Mond. Für die Untersuchung des interplanetaren Raums und der Himmelskörper wurde das Pioneer-Programm gestartet.
Im Rahmen ihrer Missionen schickten die Vereinigten Staaten zwischen 1958 und 1978 mehrere Forschungssonden in den Weltraum. Das Raumschiff flog zur Sonne, zur Venus und zum Mond und untersuchte Kometen, die sich uns näherten. "Pioneer-3" entdeckte den zweiten Strahlungsgürtel der Erde und "Pioneer-7" nahm an der Untersuchung des Halleyschen Kometen teil. Heute sind zwei Raumschiffe des Programms bekannt. Dies sind die Pioneer-10-Sonden (im März 1972 auf den Markt gebracht) und Pioneer-11 (im April 1973), eine der letzten auf den Markt gebrachten.
Sonde "Pioneer-10" bei der Montage
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Später startete die NASA andere Forschungsprogramme. Mit neuen, fortschrittlicheren Sonden. Bereits im Rahmen des Voyager-Programms wurden Voyager 1 und Voyager 2 1977 auf die fernen Planeten des Sonnensystems geschickt. Und 2003 wurde das New Frontiers-Programm gestartet, innerhalb dessen New Horizons, Juno und OSIRIS-REx ins All gingen. Aber in den 50er Jahren, als das Programm gerade erst begann, galten seine Geräte in den USA als Pioniere des Weltraums und wurden daher "Pioniere" genannt. Pioneer 10 und Pioneer 11 waren die ersten Raumschiffe, die durch den Haupt-Asteroidengürtel flogen, und die ersten, die Jupiter aus nächster Nähe untersuchten.
Die Pioneers hätten die ersten sein können, die über das Sonnensystem hinausgingen, aber 1998 überholte die schnellere Voyager 1 die Pioneer 10, die auf dieser Tour durch das Sonnensystem das gelbe Trikot des Führenden trug.
Anomalie
Zum ersten Mal wurde in den 1980er Jahren eine Anomalie im Flugweg der Sonden entdeckt. Zu diesem Zeitpunkt haben die Sonden ihre Hauptmission bereits abgeschlossen. Pioneer 10 flog im Dezember 1973 in die Nähe von Jupiter, spezifizierte seine Masse und maß sein Magnetfeld. Pioneer 11 näherte sich genau ein Jahr später dem Planeten: im Dezember 1974. Nachdem er detaillierte Bilder gemacht hatte, ging er zum Saturn. 1979 übertrug das Gerät Bilder des Planeten und seines Satelliten Titan zur Erde.
Die Hauptmission endete, aber es wurde beschlossen, die Daten aus der Überwachung der Flugbahn des Pioneer-10-Raumfahrzeugs zu verwenden, um nach dem zehnten Planeten des Sonnensystems zu suchen, wie immer noch angenommen wurde. Und jetzt ist es der neunte (nach der Herabstufung in Pluto). Wenn es eine Abweichung in der Flugbahn geben würde, wäre dies, wie Wissenschaftler glaubten, eine Folge der Schwerkraft eines unentdeckten Planeten. Die Abweichung wurde gefunden, aber die Ursache für diese Anomalie war keineswegs ein Planet am Rande des Sonnensystems. Am interessantesten ist jedoch, dass die Anomalie später in der Zwillingssonde gefunden wurde.
Illustration des Ausgangs von "Pioneers" und "Voyagers" außerhalb des Sonnensystems
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Heute fliegen Fahrzeuge in verschiedene Richtungen. Pionier 10 bewegt sich in Richtung des Sternbilds Stier in Richtung des Randes der Milchstraße. Sein Zwilling hingegen ist in Richtung des Zentrums der Galaxie, in Richtung der Konstellation des Schildes. Es versteht sich, dass sich beide Sonden jetzt im freien Flug befinden. Nur die zuvor erhaltenen Beschleunigungs- und äußeren Kräfte beeinflussen den Flug des Raumfahrzeugs. Kräfte sind gravitativ und nicht gravitativ.
Zu den nicht gravitativen gehört beispielsweise der Druck der Sonnenstrahlung, der eine von der Sonne gerichtete Beschleunigung verursacht. Und die Schwerkraft der Sonne zieht die Fahrzeuge im Gegenteil zum Stern und bewirkt eine auf die Sonne gerichtete Beschleunigung, dh sie verlangsamt sie. Alle Kräfte, die den Flug von Raumfahrzeugen beeinflussen können, werden berechnet und berücksichtigt. Bis auf einen. Eine unbekannte und unverständliche Kraft zieht die Sonden zurück. Sie ist der Grund für das Rätsel der "Pioniere". Vernachlässigbare Stärke, aber es ist da. Die neuesten Berechnungen aus dem Jahr 2002 zeigen, dass die ungeklärte negative Beschleunigung (8,74 ± 1,33) 10–10 m / s2 beträgt.
Dies ist vernachlässigbar, hat aber bereits zu einer Abweichung der Fahrzeuge um etwa 400.000 Kilometer von der berechneten Flugbahn geführt. Es scheint, dass die Sonden Milliarden von Kilometern geflogen sind. Zum Zeitpunkt des Kommunikationsverlusts mit "Pioneer-10" (23. Januar 2003) war es mehr als 12 Milliarden Kilometer von uns entfernt. Dies sind 82 astronomische Einheiten, dh 82 Entfernungen von der Erde zur Sonne. Die Kommunikation mit "Pioneer-11" ging am 30. September 1995 verloren, das Gerät befand sich bereits in einer Entfernung von 6,5 Milliarden Kilometern von der Sonne oder 43 AE. e.
Und was sind diese Hunderttausende im Vergleich zu Milliarden von Kilometern? Für die Wissenschaft können diese unbedeutenden Werte jedoch von großer Bedeutung sein. Abweichungen von der Norm, vom üblichen Verständnis der Dinge, dh Anomalien, können auf das Vorhandensein von etwas Bedeutendem hinweisen, das jedoch noch unentdeckt ist. Darüber hinaus in der Astrophysik.
Eine Anomalie in der Bewegung des Uranus führte zur Entdeckung eines neuen Planeten - Neptun. Die 1859 entdeckte Anomalie in der Bewegung des Merkur wurde nur durch Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie erklärt, die er 1915 entwickelte. Die Lösung der "Pionier" -Anomalie könnte die moderne Physik auf den Kopf stellen oder umgekehrt ziemlich trivial sein. Deshalb verfolgt es viele Wissenschaftler.
Es kann sich die Frage stellen: Wie haben Wissenschaftler die Geschwindigkeit und dementsprechend die Beschleunigung der Fahrzeuge berechnet? Sonden sind seit langem nicht mehr zur Beobachtung verfügbar. Weder Hubble noch irgendein anderes Teleskop können die Sonden von uns wegfliegen sehen. Die Geschwindigkeitsregelung der Sonden erfolgt durch Messung der Doppler-Frequenzverschiebung des Funksignals, das in Richtung der Sonde gesendet und von dieser zurückgesendet wird. Es basiert auf demselben Doppler-Effekt, der zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet wird. Der Effekt manifestierte sich in der sogenannten violetten Verschiebung, der Verschiebung des Funksignals in den kurzwelligen Bereich des Spektrums, was bedeutet, dass die Sonden langsamer wurden.
Wenn es sich jedoch um einen Effekt handelt, der die Bewegung zweier Sonden beeinflussen kann, kann er auch andere beeinflussen? Wir haben bereits gesagt, dass es nach dem Pioneer-Programm noch andere gab. Aber die Pioniere sind lange Zeit ohne zusätzliche Kurskorrekturen im Flug. Die Flugbahn und die Ausrichtung anderer Sonden werden jedoch weiterhin von den Triebwerken korrigiert. Daher können keine genauen Messungen des Effekts durchgeführt werden, falls vorhanden.
Mögliche Ursachen für die Anomalie
Im Laufe der Jahre, in denen Lösungen für dieses Rätsel gefunden wurden, wurden viele Annahmen getroffen. Und das erste sind Fehler bei der Beobachtung und Interpretation der erhaltenen Daten. Aber er wurde fast sofort verlassen. Die Anomalie wurde auf verschiedene Gründe zurückgeführt. Bremsen auf dem interplanetaren Medium (Staub, Gaswolken usw.). Die Anziehungskraft von Kuipergürtelobjekten. Auslaufendes Gas wie Helium wird als Arbeitsmedium in Radioisotopengeneratoren verwendet. Der Grund wurde auch in den elektromagnetischen Kräften gesucht, die durch die akkumulierte elektrische Ladung der Sonden verursacht werden. Und natürlich wurde es dem Einfluss von dunkler Materie oder dunkler Energie zugeschrieben. Nicht ohne Vorschläge zur Korrektur der vorhandenen Physik. Frühere Annahmen lieferten eine nicht gravitative Erklärung für den Effekt.1983 schlug der israelische Physiker Mordechai Milgrom die sogenannte Theorie der modifizierten Newtonschen Dynamik (MOND) vor. Sie ist ein Beispiel für eine alternative Gravitationstheorie. Laut MOND muss die Newtonsche Mechanik korrigiert werden, wenn es sich um Körper handelt, die sich mit extrem geringer Beschleunigung bewegen.
Der Grund für die anomale Beschleunigung der "Pioniere" scheint jedoch gefunden worden zu sein. Aber lassen Sie uns zunächst ein wenig über das Design der Geräte sagen. Die Sonden sind mit wissenschaftlichen Instrumenten und einer Parabolantenne mit einem Durchmesser von 2,75 Metern für die Kommunikation mit der Erde ausgestattet. Alle diese Geräte benötigten eine Stromversorgung. Schauen Sie sich den Bau der Pioniere an. Sehen Sie Sonnenkollektoren, die Satelliten darin vertraut sind? Nein. Für Raumfahrzeuge, die die fernen Planeten des Sonnensystems erkunden, haben Sonnenkollektoren keinen Sinn. Je tiefer Sie in den Weltraum vordringen, desto geringer wird die Intensität der Sonnenstrahlung. Die Sonnenenergie reicht für den Betrieb von Solarzellen nicht mehr aus.
Diagramm des "Pioneer-10" -Geräts
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Im Gegensatz zu Sonden, die zu den inneren Planeten unseres Systems fliegen, sind thermoelektrische Radioisotopgeneratoren mit Plutonium-238 an Bord für Flüge nach Jupiter, Saturn und anderen entfernten Planeten installiert. Dies sind keine Kernreaktoren. Sie arbeiten anders. Radioisotopengeneratoren nutzen Wärmeenergie, die beim natürlichen Zerfall radioaktiver Isotope freigesetzt wird, und wandeln sie mit Hilfe eines thermoelektrischen Generators in Elektrizität um. Plutonium-238 ist ein solches radioaktives Isotop, dessen Zerfall die Ausrüstung an Bord der Sonden antreibt. Jede Sonde verfügt über vier Generatoren, die an zwei drei Meter langen Auslegerstangen von den wissenschaftlichen Instrumenten der Vorrichtung entfernt befestigt sind.
Am Jet Propulsion Laboratory der US National Aerospace Agency wurde ein Forschungsteam gebildet, um die Anomalie der Pioniere zu untersuchen. Es wurde von unserem Landsmann geleitet, einem Absolventen der Physikabteilung der Moskauer Staatsuniversität Vyacheslav Turyshev. Die Forscher konnten ein mathematisches Modell erstellen, das die anomale Beschleunigung der "Pioniere" um mindestens 70% erklärt. Ihrer Meinung nach liegt der springende Punkt in den Wärmeflüssen, die von der Sonde in verschiedene Richtungen kommen. Die Hauptwärmequelle sind Radioisotopengeneratoren, die die Bordausrüstung mit Energie versorgen. Beim Betrieb der Instrumente wurde Wärme erzeugt. Mit dem Ausschalten der Instrumente wurde immer mehr Energie für die Erwärmung der Sonden aufgewendet. Wärme wurde in den Weltraum abgestrahlt. Bei der Berechnung der geschätzten Flugbahn wurde die Kraft des Rückstoßes der Wärmestrahlung unterschätzt. Der Wärmestrahlungsdruck ist jedoch ungleichmäßig. Im Flug werden die Sonden durch Drehen um die Längsachse stabilisiert. Die senkrecht zur Längsachse abgestrahlte Wärme wird gleichmäßig in alle Richtungen abgeführt und beeinflusst die Bewegung der Sonden nicht. Es gibt aber auch Strahlung entlang der Achse. Und es strahlt ungleichmäßig. Berechnungen haben gezeigt, dass der in Richtung der Fahrzeugbewegung abgegebene Wärmefluss eine größere Rendite liefert als der in die entgegengesetzte Richtung, dh er überwältigt ihn und verursacht den Bremseffekt.das heißt, es überwältigt es und bewirkt eine Hemmwirkung.das heißt, es überwältigt es und bewirkt eine Hemmwirkung.
Rückansicht der Sendeantenne
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Aber was ist der Grund für die restlichen 30%? Vielleicht haben Physiker des portugiesischen Instituts für Plasma und Kernfusion eine Erklärung gefunden. Sie folgten demselben Weg wie Turyshevs Gruppe. Wir haben jedoch mehr auf die Sendeantenne der Sonden geachtet, die, wie wir uns erinnern, einen Durchmesser von fast drei Metern hat. Nachdem sie auf der Grundlage ihres mathematischen Modells der Sonden neue Berechnungen durchgeführt hatten, kamen sie zu dem Schluss, dass die von der Rückseite der Antenne reflektierte Wärmestrahlung den gleichen fehlenden Impuls liefert.
Nun, das Rätsel, das die Wissenschaftler heimgesucht hat, scheint gelöst zu sein. Die Menschheit erforscht weiterhin den Raum. Für neue Rätsel und eine spannende Suche nach ihren Lösungen.
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Sergey Sobol
