Торможение «Пионеров» описали методом закраски

Тайна аномального торможения космических аппаратов наконец разгадана

Дмитрий Малянов 28.04.2011, 17:04
davidszondy.com

Одна из самых интригующих за последние 20 лет астрономических загадок — «аномалия «Пионеров» — решена с помощью технологии виртуальной реальности, активно применяемой в современных компьютерных играх.

На рубеже 70-х годов прошлого века человечество, оглядевшись и освоившись в ближайших космических окрестностях Земли, Марса и Венеры, приступило к исследованию дальних — Сатурна и Юпитера. В 1972 и 1973 годах по направлению к газовым гигантам были отправлены две американские автоматические станции — Pioneer 10 и Pioneer 11

Миссия оправдала свое название, став в полном смысле слова пионерской.

Впервые в истории космической навигации была использована нетривиальная баллистика — эффективный разгон аппаратов с помощью гравитационного притяжения других планет, работающего наподобие пращи: сейчас этот хитроумный трюк взят баллистиками на постоянное вооружение для компенсации слабой реактивной тяги межпланетных зондов, несущих ограниченный запас топлива. Далее Pioneer 10 стал первой автоматической станцией, пролетевшей мимо Юпитера. Наконец, обе станции остаются пока единственными рукотворными объектами, оказавшимися за пределами Солнечной системы: в 1983 году Pioneer 10 миновал орбиту Плутона, и сейчас аппараты находятся на внушительном расстоянии 103 и 83 (Pioneer 11) астрономических единиц от Солнца, летя по направлению к Альдебарану и созвездию Щита.

Но и после выполнения своей основной задачи «Пионеры», исследовав Юпитер и Сатурн, продолжали передавать на Землю важную информацию, в конечном итоге задав ученым загадку, окончательный ответ на которую не найден до сих пор.

Вообще-то «сверхурочная» работа «Пионеров» была изначально прописана в исследовательских планах НАСА. Так, проследив отклонения в траекториях полета станций в районе орбит Нептуна и Плутона, астрономы рассчитывали подтвердить существования тогда еще гипотетического Пояса Койпера — транснептуновой популяции малых тел, оставшихся после формирования Солнечной системы. И даже, если повезет, косвенным образом подтвердить «гипотезу десятой планеты», виновной, как предполагалось, в странных аномалиях орбит Нептуна и Урана.

Но, как стало ясно ближе к 90-м, вместо объяснения одной аномалии исследователи получили на руки другую — и намного более странную.

Первое сообщение, что «Пионеры» летят по траектории, отклоняющейся от плановой, сделал еще в 1980-м сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA Джон Андерсон. После обработки данных телеметрии доплеровское смещение частоты сигнала, возникающее при обмене со станциями радиосигналами, по которому можно очень точно высчитать их скорость, показало, что «Пионеры» движутся с большим отрицательным ускорением, чем расчетное. Объяснять странное торможение станций в столь удаленной от Солнца и пустынной области космоса, где вероятность значимых гравитационных возмущений, способных внести поправку в расчетные, крайне мала, не спешили, решив исключить вероятность телеметрической ошибки и собрать побольше информации о дальнейшей баллистической эволюции траекторий.

Однако за десять следующих лет, по мере накопления данных и совершенствования теоретической модели, описывающей движение тел на границе Солнечной системы, проблема аномального отрицательного ускорения «Пионеров» решена так и не была.

Во-первых, отрицательное ускорение, как показывала все та же телеметрия, оставалось одинаковым для обоих станций и постоянным, что, учитывая их пространственную разнесенность, исключало гравитационное воздействие на них каких-то скрытых транснептуновых объектов. Во-вторых, в начале 90-х орбитальные аномалии Урана и Нептуна, смущавшие теоретиков, наконец-то уложились в уточненную гравитационную модель и без привлечения гипотетической десятой планеты.

А вот аномальное торможение «Пионеров» укладываться в полученную точную модель, по которой двигались другие небесные тела, наотрез отказывалось.

На станции действовала тормозящая сила неизвестного происхождения, и надо было или найти ее истинный источник, не гравитационный по природе, или подправить что-то в теоретической консерватории, то есть в наших представлениях о том, как работает гравитация.

Но одно лишь предположение, что второй вариант не исключен, вызывало легкую нервную дрожь в рядах физиков-теоретиков, поскольку любая компрометация сложившейся теории, описывающей гравитационные взаимодействия, тянет за собой пересмотр фундаментальных представлений о происхождении, структуре и эволюции Вселенной.

К неудовольствию большинства теоретиков и на радость тем, кто обожает изобретать экзотичные космологические теории, ситуация вокруг аномалии «Пионеров» развивалась именно по этому сценарию.

В начале 90-х для изучения непонятной аномалии NASA создало группу экспертов во главе с ее первооткрывателем Джоном Андерсоном. Начали, естественно, с перебора всех возможных тривиальных и нетривиальных воздействий на аппараты негравитационного характера — тормозящего действия космической пыли, газа, собственного электрического заряда «Пионеров», утечек топлива, тепловой и радиационной эмиссии от еще работающих на станциях плутониевых источников энергии и даже импульс от радиосигналов, посылаемых станциями на Землю. Но даже после такого скрупулезного учета всех возможных негравитационных факторов, влияющих на движение «Пионеров», их совокупного вклада в аномалию оказалось недостаточно.

В результате смутные намеки на необходимость «новой физики» стали озвучиваться не только группой Андерсона, но и в редакциях уважаемых астрономических журналов, начавших принимать к публикации статьи с описанием весьма экзотичных моделей космологии, в которых торможение «Пионеров» переставало выглядеть как аномалия, например модели масштабно расширяющегося космоса Карла Йохана Марелье, одной из разновидностей теории стационарной Вселенной, отрицающей акт Большого взрыва. Или варианта Модифицированной ньютоновской динамики Мордехая Милгрома, предлагающего внести коррективы в классическое понимание инерции (согласно ему сила тяготения на очень больших расстояниях между телами уменьшается несколько медленнее, чем по закону тяготения Ньютона).

Вызов, который бросала аномалия современной физике, был настолько интересным, что по этому поводу стали даже созываться специальные научные конференции, а поиск ее причин — тривиальных или экзотичных — превратился в разновидность научного состязания.

Вообще двадцатилетняя суета вокруг микроскопического тормозного импульса, вызывающего отрицательное ускорение двух небольших устройств в сторону Солнца величиной 8,74 ± 1,33 × 10−10 м/с², непосвященному человеку может показаться странной, но, переведя проблему на бытовой язык, представим себе такую ситуацию.

Скажем, вам нужно навестить свою бабушку, живущую в деревне очень-очень далеко. Вы вооружаетесь новейшим навигатором GPS, точно рассчитываете маршрут, время в пути, чтобы поспеть к вечернему чаепитию, заправляетесь достаточным количеством бензина (район глухой, АЗС по дороге нет) и отправляетесь в путь, но в результате оказываетесь глубоко за полночь в глухом лесу с пустым бензобаком и за несколько сот километров от места назначения, хотя по всем расчетам должны уже давно сидеть под торшером, попивая чай с сушками.

Конечно, на небольших расстояниях ошибка в 8,74 ± 1,33 × 10−10 м/с² никогда не приведет к таким ужасным результатам, однако на очень больших — космических — она уже привела к отклонению «Пионеров» на 400 тысяч километров от расчетной траектории. Поэтому и цена вопроса, вносить эту поправку в баллистические уравнения движения или списать все на конструктивные особенности «Пионеров», совсем другая. В случае отправки дорогостоящей экспедиции в удаленные области Солнечной системы (а такие проекты уже запущены) это означало бы полный провал миссии, за который космическим агентствам пришлось бы, в отличие от эксцентричных космологов, отчитываться перед налогоплательщиками.

Но похоже, что в двадцатилетней эпопее с коварной аномалией проставлена наконец-то точка.

Группе физиков из португальского Института плазмы и ядерного синтеза удалось разгадать тайну постоянного торможения «Пионеров», однако никакой новой космологии из этой разгадки, к сожалению, не следует.

Проанализировав уточненную инженерную модель космических аппаратов, португальцы заинтересовались одной конструктивной особенностью радиоантенн, смонтированных на «Пионерах», ранее ускользавшей от экспертов. Оказалось, что обратная сторона большой антенны, передающей радиосигналы на Землю, отражает слабое инфракрасное излучение от узлов силовой установки «Пионера» как раз в сторону, противоположную их движению от Солнца, работая, таким образом, в качестве тормозного двигателя на тепловых фотонах. С результатами этого анализа можно ознакомиться в статье, опубликованной на сайте препринтов.

В итоге вклад отраженного от антенны излучения в незапланированный тормозной импульс «Пионеров» уложился как раз в те самые недостающие 40 процентов, которых не хватало негравитационному объяснению аномалии. А получили их благодаря применению специального математического аппарата, известного как закраска многоугольников методом Фонга и применяемого в компьютерном рендеринге для получения реалистичных теней и бликов (одноименный плагин «Phong Shading» можно найти в «Фотошопе»), без которых не мыслят своего существования любители компьютерных игр с навороченной графикой.

Таким образом, «Пионеры» не только подвергли серьезному, но полезному испытанию современную баллистику, гравитационную модель Солнечной системы и даже современную космологию, но продемонстрировали единственный реально работающий образец фотонного двигателя, применяемого пока что лишь в научной фантастике, а также стали удобным полигоном для отработки технологий виртуальной реальности в космической инженерии.

Увы, но апологетам альтернативной космологии, лишенным столь наглядной и удобной аномалии, придется теперь искать другие яркие примеры для доказательства своих теорий, за что им нужно отдельно поблагодарить компьютерного графика вьетнамского происхождения Бу Тхой Фонга, изобретшего свой знаменитый метод в 1975 году.