Слідами однієї аномалії

Слідами однієї аномалії

Олексій Левін
"Популярна механіка" №6, 2011

Чи приведуть дослідження відхилень "піонерів" від законів небесної механіки до наукової революції?

Вчені випробовують двоїсте ставлення до аномалій, які нерідко виникають в ході досліджень. З одного боку, вони викликають почуття настороженості, і це цілком зрозуміло. Адже за визначенням аномалія – ​​це дивне, незвичайне або унікальна подія, яка не піддається поясненню на основі загальноприйнятих теорій. Тому її поява – сигнал потенційної небезпеки, який може означати, що якась область наукового знання потребує корегування, а то і повної перебудови. У той же час дійсно нетривіальні аномалії обіцяють, а часом і віщують серйозні прориви і тому створюють шанси для дослідників, готових поборотися за лідерство на передових рубежах своєї науки. Не дивно, що аномалія, відкрита 13 років тому, швидко отримала чималу популярність і все ще інтригує фахівців і любителів наукових загадок. Це так звана аномалія "Піонерів" (The Pioneer Anomaly).

космічні близнюки

На початку 1970-х років нашу планету покинули два абсолютно однакових космічних зонда, яким вперше в історії космонавтики належало загубитися в міжзоряному просторі.Їх місія полягала в дослідженні газових планет-гігантів, куди ще не долітали космічні апарати. Після виконання основного завдання кораблі повинні були вийти на гіперболічні траєкторії і покинути Сонячну систему.

Піонери далекого космосу
міжпланетні зонди Pioneer 10 і Pioneer 11 стали "першими ластівками", відправленими в дальній космос. Основним пунктом їх наукової програми було вивчення Юпітера, але в програму місії Pioneer 11 в якості експерименту було включено гравітаційний маневр у полі тяжіння Юпітера і політ до Сатурну. Зображення: "Популярна механіка"

Обидві міжпланетні станції були запущені в рамках американського проекту, розпочатого в другій половині 1950-х років. У ті часи всі роботи в області космонавтики велися під егідою міністерства оборони США – зокрема, перший американський штучний супутник Землі Explorer-1 був виведений на орбіту армійськими ракетниками. Командування військово-повітряних сил, в свою чергу, санкціонував розробку і запуск космічних апаратів, здатних досягти другої космічної швидкості і вийти за межі земного тяжіння. Сталося так, що ім'я для цих апаратів запропонував приписаний до ВВС фахівець з організації виставок Стівен Салига.Він зауважив, що служба громадських зв'язків Армії США стала називати своїх ракетників першопрохідцями (pioneers) Космічного простору. Салига порекомендував використовувати це слово в якості назви космічних кораблів ВВС – аби всім стало ясно, хто здійснює найдальші польоти. Так вийшло, що нового сімейства космічних апаратів було присвоєно загальне ім'я Pioneer, Яке згодом зберегло і NASA. Перші запуски виявилися невдалими, і тільки Pioneer 5, Що стартував 11 березня 1960, виконав поставлене завдання по вимірюванню магнітних полів, сонячного вітру і космічних променів в просторі між Землею і Венерою.

Листівка з Землі
На випадок зустрічі з позаземним розумом "Піонери" укомплектовані позолоченими алюмінієвими пластинками з посланням від землян: координати Сонця по відношенню до 15 пульсара, схема Сонячної системи, малюнок чоловіка і жінки на тлі зонда і ключ для розшифровки – зображення переходу електрона атома водню з одного стану в інше. Зображення: "Популярна механіка"

"Піонери", про які піде мова, мали номери 10 і 11. Кожен ніс по 11 наукових інструментів і, природно, апаратуру для радіозв'язку.Ці прилади харчувалися від радіоізотопних термоелектричних генераторів, що працюють на теплі, що виділяється при розпаді плутонію-238. На кожному зонді було по чотири таких генератора, попарно укріплених на виносних триметрових штангах. Обидва корабля оберталися навколо своїх поздовжніх осей таким чином, щоб їх параболічні радіоантени були весь час спрямовані на Землю.

Озброєний до зубів

Незважаючи на те що обидва "Піонера" ​​несли на борту "міжзоряні листівки", основною їх навантаженням стали наукові інструменти для вивчення околиць Юпітера.

Наукові інструменти міжпланетних зондів Pioneer 10 і Pioneer 11. Зображення: "Популярна механіка"

Кожен апарат ніс 11 наукових інструментів. При цьому маса апарату становила менше 260 кг, а джерелом живлення служили чотири радіоізотопних термоелектричних генератора, що працювали від тепла розпаду плутонію-238 і видавали на старті близько 155 Вт. Для зменшення впливу радіації на прилади зонда генератори були розташовані попарно на двох виносних триметрових штангах. А ось комп'ютерів на борту зондів не було – електроніка вміла тільки приймати і виконувати команди з Землі."Піонери" не несли і фотокамер – фотозйомка зажадала б стабілізації апарату по всіх трьох осях, а гіроскопи і двигуни не вкладалися по масі і енергоспоживанню. Кожен апарат обертався навколо поздовжньої осі, антена завжди дивилася на Землю. Але в NASA зрозуміли, що наявність ефектних знімків Юпітера – це дуже хороший піар, тому Том Герелс з університету Арізони спеціально для "Піонерів" розробив зображає фотополяриметра – хитрий оптичний прилад, здатний працювати на поворотній платформі. У ефектні знімки його сигнали перетворювалися вже на Землі за допомогою комп'ютерів.

Pioneer 10 був запущений 2 березня 1972 року, що його брат-близнюк – 5 квітня 1973 року. Станції зробили заплановані прольоти повз Юпітер, а Pioneer 11 на початку вересня 1979 року здійснив також рандеву з Сатурном. Їх бортова апаратура працювала ще довгі роки після зустрічі з планетами. Pioneer 11 перестав виходити на зв'язок в листопаді 1995 року, після того як пішов на 6,5 млрд. кілометрів від Сонця (43 а.о.). Сигнали з першого зонда надходили набагато довше, аж до 23 січня 2003 року (до цього часу станція перебувала в 82 а.о. від нашої планети – тобто більш ніж в 12 млрд. Кілометрів). В кінці березня 2011 року, під час написання цієї статті, Pioneer 10 віддалився від Сонця на 103 а.о., а Pioneer 11 – на 83 а.о. (Зрозуміло, ці оцінки засновані виключно на розрахунку траєкторій – обидві станції з Землі вже давно ненаблюдаеми). Вони мчать в протилежні сторони – Pioneer 10 прагне до периферії нашої Галактики, а Pioneer 11 – до її центру.

дивні сили

Перші роки зонди рухалися в суворій відповідності з розрахунками, але згодом виникли дивні речі – самі по собі незначні, але незрозумілі. Аналіз радіометричних даних (це були доплеровские зрушення довжин хвиль приходять від кораблів сигналів) показав, що вони віддаляються від центру Сонячної системи трохи повільніше, ніж належить за законами небесної механіки. Складалося враження, що на зонди діє не тільки сонячне і планетарне тяжіння, а й ще якась дуже слабка сила, орієнтована в бік Сонця і тому створює прискорення в цьому ж напрямку. Величина цього прискорення була не те що малої, але абсолютно нікчемною, менше 10-9 м / с2. Ці аберації, звані тепер аномалією "Піонерів", вперше помітили в 1980 році, коли відстань між Pioneer 10 і Сонцем досягло 20 а.о. (Pioneer 11 виявив їх при видаленні від Сонця всього на 15 а.о.).

аномалія

Аномалія не піддається поясненню з точки зору загальноприйнятих теорій.Тому її поява – сигнал потенційної небезпеки, який може означати, що якась область наукового знання потребує корегування, а то і повної перебудови

Рух станцій відстежували співробітники знаменитої Лабораторії реактивного руху (Jet Propulsion Laboratory, JPL), афілійованої з Каліфорнійським технологічним інститутом. Вони переконали керівництво NASA санкціонувати дослідницьку програму для вивчення виявленої аномалії. Здійснення цієї програми почалося в 1995 році в партнерстві з приватної каліфорнійської фірмою Aerospace Corporation. Через три роки учасники проекту опублікували перший звіт, заснований на радіометричних даних, отриманих від Pioneer 10 в 1987-1995 роках і від Pioneer 11 до жовтня 1990 року. Результати свідчили, що величина аномального прискорення обох станцій майже однакова і приблизно дорівнює 8 · 10-10 м / с2. І було зовсім вже дивно, що величина цього прискорення практично не змінилася, незважаючи на те що за час спостереження кожен з зондів вдвічі збільшив свою дистанцію від Сонця.

аномальне прискорення
На графіку показано дуже невелике аномальне прискорення міжпланетних зондів Pioneer 10 і Pioneer 11 у міру їх видалення від Сонця. Зображення: "Популярна механіка"

Співробітники Лабораторії реактивного руху і далі продовжували займатися аномалією "Піонерів". У 2002 році був опублікований ще один звіт, який підтвердив колишні висновки. Автори дійшли висновку, що найбільш правдоподібна оцінка загадкового прискорення обох кораблів становить (8,74 ± 1,33) · 10-10 м / с2. Вчені не змогли пояснити цю аномалію жодної з відомих фізичних причин. Її не вдавалося списати ні на тиск сонячного світла, ні на удари частинок сонячного вітру. Ці механізми створюють надзвичайно слабкі силові дії, до того ж спрямовані від Сонця, а не до Сонця. Точно так само не допомагав ні облік гальмування корабля частинками космічного пилу, ні тяжіння трансплутонових космічних тіл, що становлять пояс Койпера.

Оскільки апробована фізика явно не спрацювала, не бракувало в екзотичних моделях. Аномалію "Піонерів" не раз намагалися приписати впливу темної матерії, а також тлумачили як вказівку на необхідність внесення поправок в теорію тяжіння – і в ньютоновскую, і в ейнштейнівської. Цю аномалію навіть пробували пояснити за допомогою космологічних ефектів, пов'язаних з розширенням Всесвіту.Загалом, гіпотез виникло безліч, але пояснення аномалії досі як не було, так і немає.

вивчення архівів

За останні кілька років дослідники в Лабораторії реактивного руху справили детальний аналіз величезного масиву інформації, що має відношення до руху "Піонерів". Остаточних висновків ще немає, але багато стало ясніше. Про це "Популярною механіці" розповів керівник групи з вивчення аномалії "Піонерів" В'ячеслав Туришев.

Для початку має сенс згадати про двох класичних аномаліях з історії дослідження Сонячної системи. Приблизно до 1840 року астрономи помітили, що рух Урана по небесній сфері трохи відрізняється від траєкторії, розрахованої на підставі законів небесної механіки. Коли ця аномалія стала очевидною, їй почали шукати пояснення. Одні астрономи стверджували, що орбіту Урана спотворює тяжіння поки що ні відкритої планети, розташованої ще далі від Сонця. Інші пропонували більш радикальне рішення – ньютоновский закон всесвітнього тяжіння потребує поправок. Як відомо, мали рацію перші, а другі помилялися. Про це свідчить зроблене в 1846 році відкриття Нептуна,заздалегідь обчисленого французом Урбеном Леверье і англійцем Джоном Адамсом.

Друга аномалія зникла зовсім інакше. Приблизно в ті ж роки астрономи переконалися, що Меркурій теж поводиться трохи "не за правилами". Для інтерпретації розбіжностей між спостереженнями та обчисленнями той же Леверье в 1855 році висунув гіпотезу про існування одного або декількох небесних тіл, які обертаються навколо Сонця всередині орбіти Меркурія і практично повністю прихованих від земних спостерігачів сонячним сяйвом. Ця версія виявилася помилковою, і меркуріанським аномалію вдалося повністю пояснити лише за допомогою релятивістської теорії тяжіння, створеної Альбертом Ейнштейном.

Аномалії і наукові революції

Аномалії виникають і в експериментах, і в теорії. Наприклад, в кінці XIX століття фізики виявили невідомі і, головне, не передбачені раніше випромінювання – рентгенівські промені, альфа-, бета- і гамма-частинки. Ці відкриття цілком заслужено були сприйняті як серйозні аномалії, а зараз будь-який школяр знає, який вплив вони надали на науковий прогрес.

А ось ще приклад з того ж часу. У квітні 1900 року знаменитий фізик Вільям Томсон,отримав за наукові заслуги титул лорда Кельвіна, прочитав в Лондонському королівському інституті лекцію "Хмари над динамічної теорією тепла і світла, успадковані від XIX століття". Йшлося саме про аномалії – і яких! Одну з них Кельвін угледів у підсумках оптичного експерименту, виконаного в 1887 році американськими фізиками Альбертом Майкельсоном і Едвардом Морлі. За допомогою інтерферометра вони намагалися виявити рух Землі відносно нерухомого ефіру, в якому, як тоді вважали, поширюється світло та інші електромагнітні хвилі. Однак результат виявився нульовим. Інше ускладнення, також зазначене Кельвіном, відносилося до кінетичної теорії газів, розробленої ще в середині XIX століття. Вона дозволяла обчислювати відношення теплоємностей газів, визначених при постійному обсязі і постійному тиску. Експеримент показав, що для газів, що складаються з двохатомних молекул, таке відношення дорівнює 1,4. Теорія допускала цей результат за умови, що молекули абсолютно жорсткі, а це суперечило даним про їх оптичних спектрах. Остаточно пояснити першу аномалію змогла тільки ейнштейнівська теорія відносності, а друга отримала пояснення лише після створення квантової механіки.

Природно, багато наукових аномалії виявляються пустушками, що виникли через елементарних помилок експерименту або неадекватною інтерпретації результатів. Так, в 1903 році досить шановний французький фізик-експериментатор Рене Блондло вразив науковий світ повідомленням, що газорозрядні трубки випускають раніше невідоме проникаюче випромінювання, не передбачене законами фізики. У нього знайшлися десятки прихильників, які опублікували більше трьох сотень статей на підтвердження "відкриття". Однак через пару років фізики прийшли до висновку, що "N-променів" Блондло просто не існує, так що ця аномалія виявилася хоч і сенсаційною, але короткоживущей. Крім того, навіть справжні аномалії найчастіше свідчать про неполадки місцевого значення і зовсім не стають прелюдією наукових революцій.

"Таким чином, дві дуже схожі аномалії розв'язалися полярним чином, – говорить Туришев. – Фундаментальна теорія, в контексті якої проявилися аберації руху Урана (конкретно – ньютоновская небесна механіка), була залишена без змін, а самі аберації вдалося зв'язати з невідомим раніше зовнішнім фактором – тяжінням трансуранових планети.У другому випадку все відбулося рівно навпаки – невраховані зовнішні перешкоди не знайшлися, а ньютоновская теорія тяжіння поступилася ейнштейнівською. Виникає питання: за якою схемою вирішиться аномалія "Піонерів"? Нашій групі за останні роки вдалося зібрати воєдино практично всю доступну інформацію по обом кораблям. Сюди входять і навігаційні дані зі станцій спостереження, і телеметрія з бортової апаратури. Загальний обсяг накопичених відомостей по Pioneer 10 в два з половиною рази більше спочатку використовувався масиву. А по Pioneer 11 таких даних більше в десять разів. Тому тепер можна з ще більшою впевненістю, ніж в минулому, стверджувати, що аномалія дійсно має місце і що вона практично однакова для обох зондів ".

Пояснення на 70%

У цьому, звичайно, немає нічого принципово нового, але групі Туришева вдалося зробити набагато більше. Станції могли спілкуватися з Землею, оскільки на них працювали радіоізотопні генератори, від яких харчувалася вся бортова апаратура. Природно, що ці прилади виділяли тепло, яке йшло в космос у вигляді інфрачервоного випромінювання. Крім того, кораблі нагрівалися сонячним світлом і знову-таки перєїзлучать тепло в простір, хоча за орбітою Сатурна цей ефект був малозначущими.Дослідникам з Лабораторії реактивного руху вдалося побудувати і прорахувати математичну модель цих теплових потоків. Дуже важливо, що вона максимально враховує конкретну архітектуру кожного зонда і тому дає можливість достовірно судити, як саме він віддає теплову енергію.

Що ж з цього вийшло? Станції були стабілізовані обертанням навколо поздовжньої осі. Тепло, яке випромінювалося перпендикулярно цій осі – так би мовити, з бічної поверхні, – через обертання розсіювалося на всі боки і на рух зондів не впливало. А ось фотони, які йшли вздовж осі, весь час зберігали напрям і тому створювали віддачу, яка вже могла відбитися на швидкості. Один кінець цієї осі був спрямований на внутрішню область Сонячної системи, тобто фактично на Сонце, а інший – на її периферію. Розрахунки показали, що теплові фотони створювали трохи більшу віддачу в сторону Сонця, ніж в протилежному напрямку. Це і означає, що інфрачервоне випромінювання зондів породило дуже слабку силу, підштовхує кораблі до Сонця.

Але чому величина аномалії була майже однаковою за весь час спостережень,хоча потужність генераторів поступово слабшала через розпад плутонію? Справа в тому, що бортові прилади працювали в ступінчастому режимі і з плином часу все частіше і частіше відключалися. Генератори давали все менше енергії, проте все більша і більша частина її витрачалася не на роботу апаратури, а на пасивний прогрів кораблів. Тому і вийшло, що за час спостережень аномальне прискорення виявилося відносно стабільним.

"А тепер перейдемо до найцікавішого, – продовжує В'ячеслав Туришев. – Наша модель пояснює це прискорення, але не повністю, а лише приблизно на 70%. Що робити із залишком, поки не ясно. Непоясненим частина становить приблизно 2 · 10-10 м / с2. Цікаво, що саме цю величину дають обчислення, зроблені на підставі так званої модифікованої ньютонівської динаміки (Modified Newtonian Dynamics, Скорочено MOND), запропонованої в 1983 році ізраїльським фізиком Мордехаєм Мільгрома. Ця теорія стверджує, що ньютонівська механіка потребує поправок в тих випадках, коли вона має справу з тілами, що рухаються з надзвичайно малим прискоренням. Звичайно, це може бути простим збігом, але досить імовірно, що ентузіасти цієї теорії поставляться до наших результатів як до аргументу в її підтримку.Сам я схильний вважати, що за цей залишок несуть відповідальність якісь поки не враховані, але не такі вже екзотичні причини. Втім, час покаже ".

Отже, аномалія "Піонерів" в основному пояснена. Але все-таки не закрита. Бути може, з нею вдасться остаточно впоратися, не привертаючи ніякої нової фізики, проте не виключено, що її подальше вивчення принесе вченим справжні сюрпризи. Загалом, далі буде.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: