Pioneerova anomalija

Pioneer 10 lansiran je 2. ožujka 1972., a Jupiteru se najbliže približio 4. prosinca 1973. Pioneer 11 krenuo je 6. travnja 1973., proletio pokraj Jupitera 3. prosinca 1974., a 1. rujna 1979. i pokraj Saturna. Obje su bile spin-stabilizirane, što znači da su se polagano vrtjele oko osi koja uglavnom pokazuje prema Zemlji. Pioneer 10 zadnji je put javio 23. siječnja 2003. s udaljenosti od oko 12 milijardi kilometara, a s Pioneerom 11 kontakt je izgubljen u jesen 1995.

Upravo ta dobro poznata putanja, koju je radio-praćenje odredilo iznimno precizno, zadala je zagonetku.

Što je pokazao Doppler

Položaj i brzinu sondi na tako velikim udaljenostima određuje se Dopplerovim pomakom radijskog signala: kad se sonda ubrzava ili usporava, frekvencija koju prima Zemlja neznatno se pomiče. Kad su znanstvenici u Jet Propulsion Laboratoryju (JPL) izračunali kako bi se sonde trebale gibati pod djelovanjem Sunca i planeta, stvarni signal nije se podudarao s izračunom. Razlika je nestajala tek ako se u model doda stalno ubrzanje usmjereno prema Suncu.

Rad Johna Andersona i suradnika, objavljen 1998. u časopisu Physical Review Letters, procjenjivao ga je na oko 8,5 × 10⁻⁸ cm/s², a podatke s Pioneera 10 i 11 dopunili su i podacima sondi Galileo i Ulysses. Autori su navodili da su dva neovisna računalna programa dala isti rezultat i da je niz mogućih uzroka isključen. Dulja analiza iz 2002. dala je vrijednost (8,74 ± 1,33) × 10⁻¹⁰ m/s². To je oko deset milijardi puta slabije od ubrzanja koje osjećamo na Zemlji, ali za letjelicu koja godinama putuje kroz prazan prostor dovoljno da se nakupi mjerljiv pomak.

Nova fizika ili sitni uzroci

Anomalija je privukla veliku pozornost jer je dolazila iz područja u kojem gravitacija nije bila provjeravana tako preciznim instrumentima. Prema autorima kasnijeg rada, mnogi su je vidjeli kao znak odstupanja od zakona obrnutog kvadrata, dakle kao nagovještaj fizike izvan Einsteinove opće teorije relativnosti. Drugi su odmah upozorili na običnije uzroke. Već 1999. J. I. Katz predložio je da bi sondu mogla potiskivati toplina koju zrače radioizotopni generatori (RTG) što ih napajaju, a E. M. Murphy da bi je mogla potiskivati toplina električnih sustava; L. K. Scheffer je 2003. razmotrio kombinaciju oba izvora.

Zamisao je jednostavna. Toplinsko zračenje nosi količinu gibanja, pa ako letjelica jače zrači u jednom smjeru, pomalo se potiskuje u suprotnom. Jer su ubrzanja o kojima je riječ tako sitna, dovoljna je i neznatna nesimetrija zračenja. Teškoća je bila u tome što nitko nije znao koliko točno topline i u kojem smjeru zrače dvije letjelice konstruirane prije mnogo desetljeća.

Spašavanje telemetrije

Zato je tim pod vodstvom Slave Turysheva s JPL-a počeo od početka. Oporavljen je cijeli zapis telemetrije obje letjelice, opsežna projektna dokumentacija i dodatni Dopplerovi podaci. Analiza proširenog skupa podataka potvrdila je da anomalija postoji, ali je pokazala i nešto važno: ostaci Dopplerova pomaka smanjuju se ako se uzme da ubrzanje s vremenom opada i da je usmjereno prema Zemlji, što je upućivalo na toplinski uzrok, jer bi se on trebao smanjivati s raspadom plutonija-238 u generatorima i djelovati duž osi vrtnje, koja pokazuje prema Zemlji.

Slijedila je najopsežnija provjera te zamisli. Model Pioneera 10 sastavljen je od oko 3300 površinskih elemenata, 3700 čvorova i 8700 linearnih vodiča, izrađen prema crtežima i obnovljenoj dokumentaciji, jer za letjelicu staru četrdeset godina nije postojala nikakva CAD datoteka. Model je bio provjeren prema telemetriji: izračunana snaga generatora razlikovala se od poznate za manje od jedan posto, a izračunane temperature rebara za najviše 2 K. Rad objavljen 2012. u Physical Review Letters zaključio je da su veličina, vremenski tijek i smjer toplinskog ubrzanja slični onima opaženog ubrzanja te da, kad se toplinski potisak ispravno uračuna, ne ostaje statistički značajna anomalija.

Što ostaje otvoreno

Autori su pažljivo odmjerili zaključak. Toplinska procjena iznosi oko 80 posto veličine koju daje Dopplerova analiza, od čega 35 posto potječe od generatora, a 45 posto od električne topline. Pitanje je predstavlja li preostalih 20 posto stvarnu anomaliju. Njihova je analiza pokazala da se elipse pogreške preklapaju: najveća nesigurnost toplinskog modela dolazi iz nepoznate promjene svojstava premaza generatora, koji se tijekom desetljeća u svemiru mijenjao, a Dopplerovi podaci imaju znatan šum zbog nabijenih čestica u međuplanetarnom prostoru. Zaključili su da pri sadašnjoj razini znanja o letjelici i njezinoj putanji nema statistički značajnog neobjašnjenog ubrzanja.

Autori su navodili i da Pioneer 11 nije analiziran jednako detaljno, premda ništa nije iznenadilo u točkastoj provjeri, te da je neriješeno pitanje neobjašnjivog usporavanja vrtnje obiju letjelica, koje je vjerojatno posljedica topline neravnomjerno odbijene od sunčobrana. Autori kao moguć korak navode i mjerenje svojstava premaza generatora u termalnoj vakuumskoj komori.

Dokazi za i protiv

Toplinski uzrok

• U prilog: Model s oko 3300 površinskih elemenata, provjeren prema telemetriji, daje silu čiji se iznos, vremenski tijek i smjer podudaraju s anomalijom, a procjena iz topline iznosi oko 80 posto Dopplerove.
• Protiv: Nesigurnost modela je velika, najviše zbog nepoznatog starenja premaza generatora, pa preostalih 20 posto ne može se ni potvrditi ni isključiti.

Nova fizika

• U prilog: Anderson i suradnici 1998. naveli su da su dva neovisna programa dala isti rezultat i da je niz mogućih uzroka isključen; proširena analiza podataka iz 2011. potvrdila je da ubrzanje postoji.
• Protiv: Analiza iz 2012. ne nalazi ubrzanje koje bi ostalo nakon uračunavanja toplinskog potiska, pa za novu fiziku nema potrebe.

Neotkrivena sustavna pogreška

• U prilog: Pioneer 11 nije analiziran toliko detaljno kao Pioneer 10, a Dopplerovi podaci imaju znatan šum koji se pripisuje sustavnim uzrocima.
• Protiv: Točkasta provjera Pioneera 11 nije pokazala iznenađenja, a toplinski model i neovisna procjena iz Dopplerovih podataka daju jednake koeficijente unutar pogreške.