Подпишитесь на оповещения
от Газеты.Ru
Дополнительно подписаться
на сообщения раздела СПОРТ
Отклонить
Подписаться
Получать сообщения
раздела Спорт

Пионеры новой физики

«Эффект Пионеров» и его возможные объяснения

Лектор: (none) 28.02.2008, 18:50
holoscience.com

Те, кто считал, что «научная карьера» космических аппаратов Pioneer 10 и 11 закончилась с их пролётом мимо планет-гигантов, ошибались. Когда учёные начали разбираться в особенностях их движения у границ Солнечной системы оказалось, что на них действует крохотная, но совершенно необъяснимая сила. Станет ли «Ускорение Пионеров» для физики XXI века тем же, чем для физики века XX стало вращение перигелия Меркурия, правильно объяснить которое смогла лишь революция в науке — теория относительности?


В конце XIX века учёные считали, что здание физики в основном построено. Зоркие глаза замечали существование двух небольших «облачков», но все были уверены, что после того, как эти небольшие проблемы будут решены, построение физики окажется завершённым.

Этими облачками были результаты опытов Майкельсона и Морли, необъяснимые с точки зрения теории светоносного эфира, а также трудности с объяснением спектра излучения нагретого чёрного тела. Через несколько лет «облачка» были рассеяны, но из решения этих задач выросли два столпа физики XX века: теория относительности и квантовая механика.

Ситуация, сложившаяся в физике через сто с лишним лет, имеет похожий вид.

Конечно, количество «облачков» выросло, а сами они измельчали, так что большинство видны лишь узким специалистам в соответствующих областях. Однако есть и такие результаты, которые могут быть продемонстрированы широкой публике. Одним из них является так называемый «эффект Пионера» или «аномалия Пионера».

Эффект заключается в том, что на космические аппараты Pioneer 10 и Pioneer 11, находящиеся сейчас уже у границ Солнечной системы, действует какая-то очень маленькая, но до сих пор не объяснённая сила.

Миссия Pioneer была разработана в США в конце 1960-х. Её целью было исследование крупнейших планет, обращающихся вокруг Солнца: их атмосфер, магнитосфер, спутников, а также получение высококачественных фотографий столь удалённых объектов с близкого расстояния. Юпитер исследовали оба аппарата, а Сатурн - только Pioneer 11.

Орбиты аппаратов были рассчитаны таким образом, чтобы манёвр в сильном поле тяжести гигантских планет вызвал увеличение скорости Pioneer'ов, достаточное для того, чтобы они навсегда покинули Солнечную систему. Посылка аппаратов на такое удаление от Солнца - дело редкое и весьма дорогостоящее, поэтому учёные старались использовать представившуюся им возможность полностью. Pioneer'ы должны были исследовать межпланетную среду, космические лучи, солнечный ветер и многое другое. Также на обоих аппаратах были размещены идентичные золотые таблички с посланием внеземным цивилизациям.

Pioneer 10 был запущен с мыса Канаверал 2 марта 1972 года, Pioneer 11 - через год и месяц, 5 апреля 1973 года. Уже в декабре 1973 Pioneer 10 пролетел в окрестностях Юпитера и прислал фотографии самой крупной планеты Солнечной системы. 13 июня 1983 аппарат пересёк орбиту Нептуна, который на тот момент был внешней планеты системы. Миссия продолжалась до конца марта 1997, но телеметрия продолжала поступать до конца апреля 2002, когда космический аппарат находился на расстоянии 12 миллиардов километров от Земли (80 астрономических единиц). Последний раз очень слабый сигнал был зарегистрирован 23 января 2003 года.

Pioneer 11 долетел до Юпитера в декабре 1974, в сентябре 1979 он пролетел мимо Сатурна. Связь с ним оборвалась в ноябре 1995. До февраля 1998 Pioneer 10 был самым удалённым аппаратом, созданным человечеством (после этого майка лидера перешла к Voyager'у-1); через два миллиона лет, пролетев 68 световых лет, он достигнет звезды Альдебаран в созвездии Тельца. Навигационное сопровождение аппаратов было настолько точным, что данные о положении были использованы для поиска объектов за орбитой Плутона и гравитационных волн с длиной волны около нескольких световых часов.


«Аномалия Пионера» была обнаружена при обработке данных по доплеровскому слежению за аппаратами. Принимаемая частота сигнала, который излучался Pioneer'ами, после вычитания влияния всех известных эффектов - притяжения Солнца, планет, астероидов, давления Солнечного света, межпланетных магнитных полей и так далее - увеличивалась с постоянной скоростью 6 наногерц в секунду. Это эквивалентно тому, что скорости аппаратов постоянно падали, поэтому часто используемый термин «Ускорение Пионеров», хотя и понятен физику, для которого ускорением является любое изменение величины или направления скорости, может несколько запутать человека, который расстался со школой много лет назад.

Измеренное ускорение очень мало и не изменяется во времени - около 1 нанометра в секунду за секунду, что в 10 миллиардов раз меньше ускорения свободного падения на поверхности Земли. Малость этой величины даже сложно осознать: такое ускорение свободного падения создавалось бы притяжением шарика диаметром один миллиметр на его поверхности; за год постоянного действия это ускорение изменяет скорость аппарата на 3 см/с. Данные были обработаны независимо несколькими исследовательскими группами, и наличие этого эффекта подтвердилось с точностью 15%!

То есть, если вычесть все известные силы, действующие на аппараты, остаётся ещё что-то неизвестное, что обеспечивает аномальное ускорение аппаратов по направлению к Солнцу.

Для объяснения эффекта было предложено большое количество различных объяснений.

Во-первых, замедление может быть вызвано причинами, внешними по отношению к аппарату. В числе предложенных были: влияние солнечного ветра и солнечного давления, торможение межпланетной пылью и взаимодействие заряда на аппарате с межпланетным магнитным полем. Однако, все вместе взятые, эти эффекты могут быть ответственны менее чем за процент от наблюдаемого ускорения.

Источники наблюдаемого ускорения могут находиться и внутри аппарата: отдача от радиоизлучения антенны, утечки гелия, образующегося при распаде плутония-238 внутри радиоизотопных теплоэлектрических генераторов, утечки газа из корректирующих двигателей, а также асимметричность излучения тепла, постоянно вырабатываемого плутониевыми генераторами и различными устройствами внутри аппарата, в открытый космос.

После тщательного анализа, было показано, что только последняя причина может вызвать ускорение, сравнимое с наблюдаемым. Действительно, тепловая мощность плутониевых генераторов составляет величину 2 киловатта и достаточно асимметрии излучения всего в 3%, то есть разницы в излучаемой мощности в различных направлениях в 60 Вт, чтобы ускорение совпало с наблюдаемым. Однако почему эта асимметрия с такой точностью одинакова для обоих аппаратов, если конструктивно она запланирована не была?

Самой интригующей возможностью является третья - что если этот эффект вызывается не банальными особенностями конструкции космического корабля, а какой-то «новой физикой»?


Сейчас существует множество разнообразных теорий, дополняющих или изменяющих уже существующие. Общим недостатком всех новинок пока является их практически полная умозрительность - число экспериментов, которые могут в какой-то степени подтвердить или опровергнуть предлагаемые теоретиками модели, очень мало, и все они требуют сверхвысокой точности. Поэтому сразу после обнаружения «Аномалии Пионеров» были сделаны попытки объяснить её с помощью уже существующих теорий «новой физики».

Например, значение аномального ускорения аппаратов численно близко к значению «фундаментального ускорения», введенного в теории так называемой модифицированной ньютоновой динамики (MOND). Эта теория покушается ни много, ни мало на второй закон Ньютона, постулируя, что при очень малых ускорениях (тех, что меньше «фундаментального») зависимость этого ускорения от приложенной силы становится не линейной, а более пологой - ускорение пропорционально корню из силы. Некоторые учёные - правда, по большей части астрономы, а не физики - в начале 1980-х оказались готовы пожертвовать школьной физикой ради объяснения вращения галактик без привлечения гипотетической «тёмной материи».

Конечно, были попытки объяснить аномалию взаимодействием с самой тёмной материей, однако получавшиеся плотности этой загадочной субстанции были столь велики, что давали бы легко обнаружимые возмущения в прекрасно изученном движении планет Солнечной системы.

Вообще, отсутствие таких возмущений является узким местом для большинства теорий - если бы аномальное ускорение действовало бы на планеты так же, как и на аппарат, то их орбиты отличались бы от наблюдаемых. Для Марса сдвиг составил бы несколько десятков километров, в то время как точность определения его орбиты составляет в наше время несколько метров. Если же эта сила действует по-разному на объекты разной массы, то это нарушает принцип эквивалентности, лежащий в основе Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна и также многократно проверенный экспериментально на очень высоком уровне точности.

Конечно, теоретики не сдаются и привлекают для объяснения всё новые и новые экзотические теории, как, например, теорию бран - предположение, что наша Вселенная есть трехмерный срез в некотором пространстве более высокой размерности. Эта теория имеет очень глубокие теоретические основания, однакое ей сильно не хватает экспериментальных проверок.

Предпринимаются попытки объяснить аномалию с помощью «ОТО с добавками», то есть теориями, близкими к эйнштейновской, но с добавлением каких-нибудь новых членов в уравнениях. Эти добавления будут приводить к изменению поведения тел в гравитационном поле, которое для нас, описывающих движение с помощью ОТО, и будет выглядеть как некое аномальное ускорение

Масла в огонь подлило численное совпадение значения ускорения с произведением скорости света на постоянную Хаббла, описывающую скорость расширения нашей Вселенной.

Может ли ускорение иметь космологическую природу и быть связано с общим расширением Вселенной после Большого взрыва? Возможно, мы видим в наблюдаемом ускорении Pioneer'ов проявление эффекта расширения пространства нашей Солнечной системы?

Несмотря на кажущуюся простоту, вопрос «расширяется или нет пространство Солнечной системы» до сих пор остаётся спорным, поскольку упирается в определение самого понятия «расширения пространства». На межгалактических масштабах с расширением вопросов нет, поскольку там вещество в среднем распределено однородно. Однако насчёт сильно неоднородных ситуаций - например, массивного Солнца, вокруг которого движутся планеты, существуют разные мнения. Поэтому было опубликовано множество работ, связывающих аномалию с космологическим расширением.

Однако при совместном анализе данных от аппаратов Pioneer, Galileo и Ulysses выяснилось, что эффект космологического расширения может дать необходимую величину ускорения Pioneer'ов и Galileo, но при подстановке его в вычислительные программы для обработки траектории Ulysses'а получаются результаты, резко расходящиеся с наблюдениями.

Для того чтобы понять, можно ли объяснить аномалию с помощью имеющихся законов природы, или её объяснит что-нибудь из теоретического «зоопарка», необходим дальнейший анализ данных от аппаратов Pioneer 10 и 11: к сожалению, новые миссии, которые будут отличаться высокой точностью навигации и полетят так далеко, едва ли будут запущены в обозримом будущем. Единственное, наверное, исключение - космический аппарат New Horizons, отправившийся недавно к Плутону. Однако подойдут ли его данные для изучения аномального ускорения, сможет показать лишь время.

Работы много и с имеющимися массивами: недавно были восстановлены данные, которые позволят увеличить длину анализируемого ряда более чем в два раза. Также за всё время полёта со спутников было принято более 35 Гб телеметрической информации, в которую входят, в том числе, и показания сенсоров, которые измеряли температуру, токи, напряжения и многие другие величины в различных точках космического аппарата. Полная и тщательная обработка этих данных, вместе с имеющейся информацией о конструкции аппаратов, позволит рассчитать эффект от асимметричного излучения тепла с достаточной точностью.

Возможно, только после этого станет возможным однозначный ответ на вопрос «есть ли новая физика в эффекте Пионера?»