Эффект «Пионера»: первая загадка дальнего космоса

Полеты в дальний космос обязательно принесут много загадок, разгадать которые мы сможем еще очень нескоро. И это неудивительно. Стоило только первым посланцам Земли миновать орбиты планет-гигантов, как космос тут же задал нам задачку. И чтобы ее решить, предлагалось даже подкорректировать законы физики. 

 

Американские программы исследования космического пространства всегда носили звучные имена и имели амбициозные цели. В рамках программы «Меркурий» американцы совершили свои первые пилотируемые полеты и создали первый отряд астронавтов. В ходе следующей программы «Джемини» были отработаны методы сближения и стыковки на орбите. Третьей программой пилотируемых космических полетов стала небезызвестная программа «Аполлон». Ее целью были пилотируемые полеты на Луну. А вот для исследования межпланетного пространства и небесных тел была начата программа «Пионер».

 

В рамках ее миссий США в период с 1958 по 1978 годы отправили в космос несколько исследовательских зондов. Космические аппараты летали к Солнцу, Венере и Луне, исследовали приближающиеся к нам кометы. «Пионер-3» обнаружил второй радиационный пояс Земли, а «Пионер-7» участвовал в изучении кометы Галлея. На сегодня хорошо известны два космических аппарата программы. Это запущенные одними из последних зонды «Пионер-10» (запуск осуществлен в марте 1972 года) и «Пионер-11» (апрель 1973 года).

 

В дальнейшем NASA запустило уже другие исследовательские программы. С новыми, более совершенными зондами. В 1977 году уже в рамках программы «Вояджер» к дальним планетам Солнечной системы отправили «Вояджер-1» и «Вояджер-2». А в 2003-м стартовала программа «Новые рубежи», в рамках которой в космос отправились «Новые горизонты», «Юнона» и OSIRIS-REx. Но в 50-е, когда программа только начиналась, ее аппараты в США считались первопроходцами космоса, поэтому и были названы «Пионерами». «Пионер-10» и «Пионер-11» стали первыми космическими аппаратами, пролетевшими через Главный пояс астероидов, и первыми, предназначенными для изучения Юпитера с близкого расстояния.

 

 

 

Впервые аномалия в полетной траектории зондов была обнаружена в 1980-х. К этому моменту зонды уже выполнили свою основную миссию. «Пионер-10» пролетел рядом с Юпитером в декабре 1973 года, уточнив при этом его массу и измерив магнитное поле. «Пионер-11» приблизился к планете ровно через год: в декабре 1974 года. Сделав подробные снимки, он отправился к Сатурну.  В 1979 году аппарат передал на Землю изображения планеты и ее спутника Титана.

 

Основная миссия закончилась, но данные мониторинга траектории полета аппарата «Пионер-10» решили использовать для поиска, как тогда еще предполагалось, десятой планеты Солнечной системы. А теперь уже девятой (после понижения в статусе Плутона). Если бы было отклонение в траектории, то, как полагали ученые, это стало бы следствием гравитации еще неоткрытой планеты. Отклонение нашли, но причиной этой аномалии была отнюдь не планета на краю Солнечной системы. Но, что самое интересное, впоследствии аномалия обнаружилась и у зонда-близнеца.

 

Сегодня аппараты летят в разных направлениях. «Пионер-10» двигается к краю Млечного Пути, в направлении созвездия Тельца. Его близнец, напротив, – к центру Галактики, в направлении созвездия Щита. Надо понимать, что сейчас оба зонда находятся в свободном полете. Только полученный ранее разгон и внешние силы влияют на полет космических аппаратов. Силы гравитационные и негравитационные.

 

Среди негравитационных, к примеру, давление солнечной радиации, вызывающее ускорение, направленное от Солнца. А гравитация Солнца, наоборот, тянет аппараты к звезде, вызывая ускорение, направленное к Солнцу, то есть замедляет их. Все силы, которые могут оказывать влияние на полет космических аппаратов, подсчитаны и учтены. Кроме одной. Одна неизвестная и непонятная сила тянет зонды обратно. Именно она – причина загадки «Пионеров». Ничтожно малая сила, но она есть. Последние расчеты, полученные к 2002 году, говорят, что величина необъяснимого отрицательного ускорения составляет (8,74±1,33)·10–10 м/с2.

 

Это ничтожно мало, но уже привело к отклонению аппаратов примерно на 400 тысяч километров от расчетной траектории. Казалось бы, зонды пролетели миллиарды километров. На момент потери связи с «Пионером-10» (23 января 2003 года) он удалился от нас более чем на 12 млрд километров. Это 82 астрономические единицы, то есть 82 расстояния от Земли до Солнца. Связь с «Пионером-11» была потеряна 30 сентября 1995 года, аппарат уже находился от Солнца на расстоянии 6,5 млрд километров, или 43 а. е.

 

И что эти сотни тысяч по сравнению с миллиардами километров? Но для науки эти ничтожные величины могут иметь огромное значение. Отклонение от нормы, от привычного понимания вещей, то есть аномалии могут свидетельствовать о наличии чего-то значимого, но еще неоткрытого. Тем более, в астрофизике.

 

 

Может возникнуть вопрос: как ученые подсчитали скорость и, соответственно, ускорение аппаратов? Зонды давно недоступны для наблюдения. Ни «Хаббл», ни любой другой телескоп не смогут разглядеть улетающие от нас зонды. Контроль скорости зондов производится при помощи измерения доплеровского смещения частоты радиосигнала, который посылается в направлении к зонду и принимается от него обратно. В основе лежит тот же самый доплеровский эффект, применяемый для определения скорости движения автомобилей. Проявился эффект в виде так называемого фиолетового смещения, смещения радиосигнала в коротковолновую область спектра, которое означает, что зонды начали замедляться.

 

Но если речь идет об эффекте, который может влиять на движение двух зондов, то он же может влиять и на другие? Мы уже говорили, что после программы «Пионер» были и другие. Вот только «Пионеры» находятся в полете без дополнительных корректировок курса в течение долгого времени. А вот траектория полета и ориентация других зондов все еще корректируются маневровыми двигателями. Поэтому точные измерения эффекта, если они есть, произвести невозможно.

 

 

За все годы, посвященные поиску решений этой загадки, было выдвинуто множество предположений. И первое – это ошибки в наблюдениях и интерпретации полученных данных. Но от него отказались практически сразу. Аномалию объясняли разными причинами. Торможением о межпланетную среду (пыль, облака газа и т. п.). Гравитационным притяжением объектов пояса Койпера. Утечкой газа, например гелия, используемого в качестве рабочего тела в радиоизотопных генераторах. Причину искали и в электромагнитных силах, вызванных накопленным зондами электрическим зарядом. И, конечно, списывали на влияние темной материи или темной энергии. Не обошлось и без предложений скорректировать существующую физику. Предыдущие предположения давали негравитационное объяснение эффекта. В 1983 году израильским физиком Мордехаем Мильгромом была предложена так называемая теория модифицированной ньютоновской динамики (MOND). Она является примером альтернативной теории гравитации. Согласно MOND, в тех случаях, когда мы имеем дело с телами, движущимися с чрезвычайно малым ускорением, ньютоновская механика нуждается в поправках.

 

Однако причина аномального ускорения «Пионеров», кажется, все-таки найдена. Но для начала скажем немного о конструкции аппаратов. Зонды имеют на борту научные приборы и параболическую антенну диаметром 2,75 метра для связи с Землей. Вся эта аппаратура нуждалась в электропитании. Посмотрите на конструкцию «Пионеров». Видите в ней привычные для спутников солнечные батареи? Нет. Для аппаратов, исследующих отдаленные планеты Солнечной системы, нет смысла в солнечных батареях. По мере удаления вглубь космоса интенсивность солнечного излучения убывает. Энергии Солнца уже недостаточно для работы фотоэлементов солнечных батарей.

 

В отличие от зондов, летящих к внутренним планетам нашей системы, для полетов к Юпитеру, Сатурну и другим отдаленным планетам на борту устанавливают радиоизотопные термоэлектрические генераторы, использующие плутоний-238. Это не ядерные реакторы. Они работают по другому принципу. Радиоизотопные генераторы используют тепловую энергию, которая выделяется при естественном распаде радиоактивных изотопов и с помощью термоэлектрогенератора преобразуют ее в электроэнергию. Плутоний-238 как раз и является таким радиоактивным изотопом, распад которого питает аппаратуру на борту зондов. Каждый зонд имеет по четыре генератора, которые закреплены на двух трехметровых выносных штангах, подальше от научных приборов аппарата.

 

Для изучения аномалии «Пионеров» в Лаборатории реактивного движения Национального аэрокосмического агентства США была создана исследовательская группа. Ее возглавил наш соотечественник, выпускник физфака МГУ Вячеслав Турышев. Исследователям удалось построить математическую модель, которая объясняет аномальное ускорение «Пионеров» по крайне мере на 70%. По их мнению, все дело в тепловых потоках, идущих от зонда в разные стороны. А основной источник тепла – радиоизотопные генераторы, которые питали энергией бортовую аппаратуру. От работы приборов выделялось тепло. По мере отключения приборов все большая часть энергии тратилась на нагрев зондов. Тепло излучалось в пространство. Именно силу отдачи теплового излучения и недооценили при расчете предполагаемой траектории полета. Однако давление теплового излучения неравномерно. В полете зонды стабилизированы за счет вращения вокруг продольной оси. Излучаемое перпендикулярно продольной оси тепло рассеивается во все стороны равномерно и на движение зондов не влияет. Но есть еще излучение вдоль оси. И оно излучается неравномерно. Расчеты показали, что тепловой поток, излучаемый в направлении движения аппаратов, дает большую отдачу, чем идущий в противоположную сторону, то есть пересиливает его и вызывает эффект торможения.

 

 

Но в чем же причина остальных 30%? Возможно, физикам из португальского Института плазмы и ядерного синтеза удалось найти объяснение. Они пошли по тому же пути, что и группа Турышева. Но уделили больше внимания передающей антенне зондов, которая, напомним, имеет почти трехметровый диаметр. Сделав новые расчеты на основе своей математической модели зондов, они пришли к выводу, что отраженное от обратной стороны антенны тепловое излучение и дает тот самый недостающий импульс.

 

Ну что ж, загадка, которая не давала покоя ученым, кажется разрешена. Человечество продолжает осваивать космос. Ради новых загадок и увлекательного поиска их решений.