Verlangsamt der Kuipergürtel das Pionier-Raumschiff?

Bildnachweis: NASA
In der Ökologie ist ein Pionier eine „Art, die sich in einer zuvor kargen Umgebung etabliert“. Unter den Menschen lassen sich Pioniere „auf unbekanntem oder nicht beanspruchtem Gebiet nieder“. Unter den Astrophilen war Pioneer unser erster Versuch, das Sonnensystem zu untersuchen. Es scheint jedoch, dass die beiden Pionierbemühungen der NASA jetzt weniger Fortschritte in Richtung der Sterne gemacht haben als erwartet, und die Frage lautet: "Warum?".

Wenn die NASA eine Mission entwirft, werden Annahmen über die Betriebsumgebung des Fahrzeugs getroffen. Anfangs hatte die NASA einige tiefe Bedenken, die beiden Pioniersonden durch den Asteroidengürtel zu schicken – schließlich könnten all diese großen von vielen kleinen verbunden werden!

In der Zwischenzeit muss die NASA einen Flugweg planen, um das Fahrzeug dorthin zu bringen, wo es hingeht. Basierend auf der Route, der Missionsnutzlast und anderen Anforderungen muss genügend Schub bereitgestellt werden, um den erforderlichen Auftrieb bereitzustellen. Der große Faktor, der den Schub beeinflusst, ist die Schwerkraft – je mehr Sie haben, desto mehr Schub benötigen Sie.

Eines der genialen Dinge an Pioneer 10 und 11 war die Entscheidung der NASA, das Paar mit bidirektionaler Kommunikation auszustatten, die für Doppler-Verschiebungen empfindlich ist. Basierend auf Frequenzverschiebungen könnte die NASA die Geschwindigkeit des Fahrzeugs relativ zu den Empfangsstationen auf der Erde bestimmen. Mithilfe dieser Daten könnte die NASA die Triebwerke anpassen, um die Flugbahnen der Sonden auf ihre Ziele abzustimmen. (Beide Fahrzeuge flogen am Jupiter vorbei, während Pioneer 11 in der Nähe des Saturn vorbeifuhr.)

Solange die Sonden Treibstoff hatten, konnten die Missionsleiter Geschwindigkeiten und Flugbahnen anpassen. Sobald der Treibstoff aufgebraucht war, konnte das Paar nur aufgrund der Trägheit und des Schleuderimpulses eines Gasriesen Fortschritte erzielen.

Während des Trägheitsfluges zeigten sich Anomalien in den Bewegungen der beiden Fahrzeuge. Doppler-Verschiebungen zeigten eine unerwartete Verlangsamung außerhalb der Umlaufbahn von Uranus. Bei etwa 20 Erd-Sonnen-Entfernungen (astronomische Einheiten – AUs) stellte die NASA eine „Blauverschiebung“ der Sondenübertragungen fest. Das Paar "sang weiter den Blues" und übertraf 10 AUs später Neptuns Umlaufbahn. Heute haben die Sonden ihre erwarteten Positionen um eine größere Entfernung als die Erde zum Mond unterschritten…

Spekulationen über die Ursache der Blauverschiebung gibt es zuhauf. Pioneer 10 & 11 selbst sind als Quelle längst ausgeschlossen. Die meisten Überlegungen führen eine unerwartete Zunahme der Anziehungskraft auf die Sonne an. Bei der Rückübertragung von Signalen zur Erde „fallen“ die elektromagnetischen Strahlen des Fahrzeugs weiter in die Schwerkraft des Sonnensystems und dieser Brunnen ist irgendwie „steiler“ als gedacht. Heute sind die beiden auf ihrer Hinreise nicht so weit wie erwartet.

Die Frage ist: "Woher kommt die unerwartete Zunahme der Schwerkraft, die die Sonden beeinflusst?". Eine Antwort liegt in der „Dunklen Materie“. Seltsamerweise liegt eine andere in der „dunklen Energie“ – der der Schwerkraft entgegengesetzten Kraft im Universum. Ein dritter liegt im Bereich der „Stringtheorie“ (zwei lokale „Brane“ – das Äquivalent lokaler n-dimensionaler „tektonischer Platten“ – können sich in unserem System schneiden). Eine Theorie bezieht sich auf die "Rückgravitationskraft" (von der gegenüberliegenden Seite des Sonnensystems gegenüber jeder Sonde). Es besteht auch die Möglichkeit, dass das Paar „Solar Quadrupolar Moments“ hat oder durch unerwartetes Material im Kuipergürtel außerhalb von Uranus verlangsamt wird.

Aber wenn es darum geht, die Täter auszusortieren, können wir normalerweise den Rat von Inspektor Louie aus dem Film Casablanca befolgen: "Runden Sie die üblichen Verdächtigen auf."

Beide Sonden sind jetzt mehr als 70 AE von der Sonne entfernt – aber immer noch im Kuipergürtel des Sonnensystems. Ihr Verzögerungsmuster legt nahe, dass die Ursache der Anomalie weit verbreitet und konstant ist. In einem Artikel vom 15. März 2005 mit dem Titel „Pionieranomalie: Gravitationskraft durch den Kuipergürtel“. Jose A. Diego und andere Forscher vom Institut für Astronomie der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko schreiben: „… es ist nicht nötig, zu Beginn alle dunklen Kräfte des Universums anzurufen. Versuchen Sie zunächst, dieses Phänomen mit lokalem Alltag zu erklären Physik und wenn das nicht genug ist, dann benutze schwere Maschinen. “

Und die Alltagsphysik? Warum natürlich der Kuipergürtel? Aber nicht genau der alte Kuipergürtel. Für Jose et al. Beginnt der Kuipergürtel jetzt etwa 10 AU näher an der Sonne – etwas außerhalb der Umlaufbahn von Uranus – und hat eine Dicke von 1 AE. Der Kuipergürtel des Teams hat fast doppelt so viel Masse gewonnen wie die Erde – etwas weniger als das Zehnfache, das ursprünglich vorgeschlagen wurde. Außerdem ist diese Masse auf die Umlaufbahn des Uranus ausgerichtet. Die Zunahme der Masse ergibt sich aus der Tatsache, dass die ursprünglichen Schätzungen der gesamten Kuipergürtelmasse auf kleinen Partikelgrößen beruhten. Durch die Einbeziehung größerer Eismengen – zusammen mit Gasen in die Zusammensetzung – glaubt die Gruppe, dass genügend Masse berücksichtigt werden kann, um zu erklären, warum die Sonden langsamer wurden und die Trägersignale verschoben wurden.

Das Team fährt fort: "… es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass der Gürtel auch die Umlaufbahn von Neptun beeinflussen würde …". Tatsächlich würde jede Zunahme der Masse innerhalb des Kuipergürtels dazu führen, dass Neptun sich etwas näher an die Sonne windet. Das Team schätzt, dass sich der Massenschwerpunkt des Planeten mit jeder vollen Umdrehung von 164,8 terranischen Jahren um 1,62 Kilometer verschieben würde.

"Die radiale Dichteverteilung der Masse, die zur Erklärung der konstanten Beschleunigung der Sonne benötigt wird, die von den Pioneer-Raumschiffen gemessen wird, kann durch Modelle der Entstehung des Sonnensystems erklärt werden." schreibt das Team. Um die größere Massenkonzentration um die Umlaufbahn des Uranus zu erklären, beschreiben sie im Laufe der Zeit einen „Materialtransport nach innen“ in Richtung der Umlaufbahn des Uranus.

Eine weitere mögliche Quelle für unerwartete Verlangsamung ist der Widerstand des Fahrzeugs, der durch einen stetigen Partikelstrom im Gürtel verursacht wird. In diesem Szenario hätte der Kuipergürtel auch mehr Materie als ursprünglich angenommen, aber dieses Material wäre gleichmäßig verteilt (um den konstanten Verlust im Impuls jeder Sonde zu berücksichtigen).

Was auch immer die ultimative Quelle für die Verzögerung der Sonde ist, es besteht keine Angst, dass das Paar – wie seine drei frühesten Vorgänger – den Kurs umkehren und in jeder Atmosphäre in unserer Nähe verbrennen wird. Diese beiden Pioniere sind immer noch dazu bestimmt, sich als erste Abgesandte der Menschheit zu den Sternen "in unbekanntem oder nicht beanspruchtem Gebiet niederzulassen".

Geschrieben von Jeff Barbour

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