مستند بدون عنوان

في 5 أكتوبر 1998، نشرت مجلة Physical Review Letters، في العدد 81، مقالاً بعنوان:

إشارة، من بيانات بايونير 10/11 وجاليليو وأوليسيس، إلى تسارع شاذ وضعيف وطويل المدى.

جون د. أندرسون، فيليب أ. لاينغ، يونيس ل. لاو، أنتوني س. ليو، مايكل مارتن نيتو وسلافا ج. تويشيف

.....المرجع: أرقام PACS: 04.80.-y، 95، Eg، 95.55.Pe

.....فيما يلي الملخص، أولاً بالإنجليزية، ثم ترجمته إلى الفرنسية:

بايونير X

.....فيما يلي ملخص المقال مع بعض المقتطفات.

....بدأ استكشاف الكواكب البعيدة عام 72 بإطلاق بايونير 10، تلاه بايونير 11 عام 73. وبعد تعرض المسبارين لتأثير المقلاع عند عبورهما المشتري وزحل، اتخذا مسارين قطعيين زائدين يجعلهما يغادران النظام الشمسي. ورغم أن بايونير 10 لا يزال يرسل إشارات، أنهت ناسا رسمياً هذه المهمة في 31 مارس 1997، حين كان المسبار على مسافة 67 وحدة فلكية من الشمس. أما نظام بايونير 11 الراديوي فقد تعطل في الأول من أكتوبر 1990، حين كان هذا المسبار الثاني على مسافة 30 وحدة فلكية من الشمس. وعلى أي حال، وبفضل استقرارهما الممتاز بالدوران، فإن هذين المسبارين أداتان جيدتان جداً للدراسات الديناميكية. ويمكن إجراء قياسات تسارع (في الواقع تباطؤ) بتوزيع القياسات على خمسة أيام، مما يؤدي إلى دقة تقييم تبلغ ~ 10-10 سم/ث². وهكذا حُللت مسارا هذين الجهازين في مختبر الدفع النفاث (JPL، في قسم شبكة الفضاء العميق DSN). وفي هذا النوع من التحليل أُخذت بطبيعة الحال في الاعتبار الاضطرابات الناجمة عن الكواكب وضغط الإشعاع وتأثير الوسط بين الكوكبي وتأثيرات النسبية العامة. وباختصار، اتُّخذت كل الاحتياطات للحصول على نتيجة تحليل تستبعد كل الأسباب المعروفة للاختلافات عن مسار كبلري بسيط. وابتداءً من عام 1980، حين أمكن إهمال تأثير ضغط الإشعاع (الذي يتناقص مع r-2)، والذي كان يحدث على مسافة 20 وحدة فلكية تسارعاً أقل من 5 × 10-8 سم/ث²، أشارت التحليلات إلى مكوّن شاذ من التباطؤ، إلى "تسارع موجه نحو الشمس" (لأخذ المصطلح المستخدم في المقال) كانت قيمته النموذجية: (8 ± 3) 10-8 سم/ث². ثم تصورنا أن هذا التأثير قد يعود إلى:

• مجال جاذبية حزام كايبر
• مجال جاذبية المجرة
• أخطاء في التقاويم الفلكية
• أخطاء نمطية في تقييم موقع الأرض
• ظواهر المبادرة والترنح.

....لكن أياً من هذه "القوى" لم يتمكن من تبرير تأثير كهذا: كان الفارق ثلاثة مراتب قدرية. ثم تخيلنا أن الظاهرة قد تعود إلى انخفاض قدرة مولدات الكهرباء بالبلوتونيوم. لكن هذا السبب استُبعد، لأنه لو كان الأمر كذلك لتغيرت الظاهرة مع الزمن تبعاً لانخفاض قدرة مصادر الكهرباء على متن المركبة. وهكذا وصلنا إلى استنتاج أن المسبارين يتعرضان لتسارع موجه نحو الشمس قدره:

....- (8.09 ± 0.20) 10-8 سم/ث² لبايونير 10
....- (8.56 ± 0.15) 10-8 سم/ث² لبايونير 11

....ولم تتغير هذه القيم، في حدود حساسية 2 10-8 سم/ث²، في نطاق مسافات يمتد من 40 إلى 60 وحدة فلكية. ففكرنا حينها في تأثير قوة سحب، لفعل لزوجة الوسط المحيط، يتناسب مع سرعة المسبارين. لكن ذلك لم يكن مقنعاً كثيراً لأن مساري هذين المسبارين مختلفان تماماً عن مسار شعاعي بالنسبة للشمس.

...ثم وسّعنا تحليلاتنا ليشمل مسبارين آخرين: جاليليو والمسبار أوليسيس، الذي يقع مساره خارج مستوى البروج. كانت كميات هائلة من البيانات متاحة، تتعلق بقياسات تأثير دوبلر. وسرعان ما بدا من المستحيل استخلاص أي شيء من البيانات المتعلقة بمسبار جاليليو، نظراً لتأثير ضغط الإشعاع غير المهمَل المرتبط بالشمس. في المقابل كشف تحليل البيانات المتعلقة بأوليسيس تسارعاً مجهول الأصل، موجهاً دائماً نحو الشمس، قدره:

...- (12 ± 3) 10-8 سم/ث²

...وبعد أن وجدنا الظاهرة نفسها مع هذا الجهاز الثالث، فكرنا حينها في أنه قد يكون خطأ مرتبطاً بالشفرة المستخدمة. فغيرنا أداة التحليل باستخدام CHASMP (برنامج الحركة عالي الدقة المدمج): لا تغيير. وقد دفعنا ذلك إلى تصور أن الساعات الذرية قد "تنحرف مع الزمن" أو حتى تعطي قيماً مختلفة في نقاط مختلفة من الأرض (...).

...ومع ذلك، وُجد لجاليليو التأثير نفسه (8 ± 3) 10-8 سم/ث²: لكن قرب الشمس جعل هذه القيمة حينها مساوية عملياً لتلك الناتجة عن تأثير ضغط الإشعاع (الذي كان يمكن في المقابل إهماله تماماً من قبل بايونير 10 وبايونير 11 وأوليسيس).

...ثم فكرنا في تفاعل مجهول بين الفوتونات المنبعثة من الأمواج والريح الشمسية (...). ثم تناولت المناقشات بعثات مستقبلية مثل "بلوتو إكسبريس" و"سولار بروب".

..وتساءلنا إن كان هذا التأثير قد يُعزى إلى وجود مادة مظلمة في النظام الشمسي، لكن هذا النوع من التفسير يستلزم وجود كمية من المادة المظلمة تفوق 3 10-4 كتلة شمسية. لكن ذلك سيناقض حينها موثوقية دقة التقاويم الفلكية، القائمة على الكتلة المرئية. ويُعرف أن كتلة دخيلة أقل بمرتبتين قدريتين ستكفي لإحداث اضطرابات قابلة للملاحظة، بما في ذلك لأجسام بعيدة كأورانوس. لذا وجب التخلي عن مسار المادة المظلمة، وكذلك عن فرضية سرب من "النيوترينوات الضخمة".

..ثم تصورنا تعديل جهد الجاذبية بأخذ إضافة قوة يوكاوا في الاعتبار. والمرجع هو:

..M.M Nieto and T Goldman, Phys. Rev. Rep. 205، 221 (1991)؛ 216، 343 (1992).

..فيصبح جهد الجاذبية حينها:

حيث l هو مدى فعل هذه القوة الجديدة. ويؤدي هذا النوع من النماذج إلى تسارع ثابت:

حيث a1 هو التسارع النيوتني على المسافة r1 = وحدة فلكية واحدة. وقد نظرنا أيضاً في نماذج أخرى تُعدَّل فيها قانون نيوتن. ومع ذلك، فإن هذا التعديل في قانون نيوتن ينبغي حينها أن يؤثر على مدارات كواكب النظام الشمسي. وبالنسبة لكواكب كالمريخ، فإن مسابر من نوع فايكنغ قادرة على كشف تغيرات في المعاملات المدارية بحدود مئة متر. وبجمع التأثيرات التي سيتعرض لها المريخ والأرض معاً، تصبح دقة القياس حينها 150 متراً. لكن:

The Pioneer effect is not seen.... a large error here would cause inconsistencies withe the overall planetary ephemeris.

الترجمة: "لا يُعثر على تأثير بايونير.... وخطأ بهذا الحجم سيكون متعارضاً مع بيانات التقاويم الفلكية".

...والنتيجة: لو كان لهذا التعديل في قانون نيوتن تأثير على مساري المريخ والأرض (وبالتالي ادّعى الشمولية)، فإن القيود التي تفرضها دقة قياسات فايكنغ تجعل التأثير يجب أن يكون أقل من 0.1 10-8 سم/ث².

...Consequently, if the anomalous radial acceleration acting on spinning spacecraft is gravitational in origin, it is not universal. That is, it must affect bodies in the 1000 kg range more than bodies of planetary size by a factort 100 or more. This would be a strange violation of the Equivalence Principle.

الترجمة: وبالتالي، لو كان التسارع الشعاعي الشاذ الذي ظهر عند المسابر الدوارة على نفسها ذا أصل جاذبي، فإن التأثير لن يوافق قانوناً عالمياً جديداً. فذلك سيعني أن هذا التأثير سيكون أهم بالنسبة لأجسام كتلتها بحدود الطن من بالنسبة لأجسام ضخمة كالكواكب، وبمعامل يقارب المئة.

...وبالمناسبة، نلاحظ أن بيانات فايكنغ حُللت أيضاً بشفرة ثانية (CHASMP)، سبق ذكرها أعلاه.

...وخلاصة المقال: يبقى سبب التأثير في الوقت الحالي لغزاً كاملاً. بطبيعة الحال، يدفعنا المرء حينها إلى التساؤل إن كان تأثير كهذا، ضعيف على أي حال وإن كان قابلاً للقياس تماماً، قد يعود إلى التأثير التنافري لبيئة من مادة توأمية، تميل على كل المقاييس إلى التسرب إلى كل مكان تغيب عنه المادة. وفق نموذجي، فإن "الفراغ بين النجمي" سيحتوي (في الكون المجاور لكوننا) على كثافة من المادة التوأمية تفوق بكثير كثافة مادة أصبحت نادرة جداً. وستشكل دراسة منهجية ونمذجة ومحاكاة حاسوبية موضوع أطروحة جميلاً جداً. لكن للأسف فإن طالب الدكتوراه المسكين الذي سيجازف بالخوض في مياه كهذه سيجد مساره البحثي مطموساً فوراً ونهائياً.

ريمي شوفان هو مؤلف عبارة ستكون خاتمة:

...حين يريد المرء أن يشرع في شيء ما، يكون ضده فوراً:

...........- الناس الذين يفعلون الشيء نفسه

...........- الذين يفعلون العكس

...........- الذين لا يفعلون شيئاً.

ملاحظة عابرة: قد يُظن (وهو تفصيل لم يُذكر في المقال) أن تأثير التسارع الشاذ هذا قد يكون مرتبطاً بـ"تأثير الثابت الكوني". لكن، بما أن التأثير الملاحظ يعمل في اتجاه تباطؤ، ينبغي حينها الحديث عن "قوة جذب الفراغ". ومن جهة أخرى ينبغي أن يتزايد هذا التأثير مع المسافة. لكن مسباري بايونير، أو أحدهما على الأقل، على مسافة نحو 60 وحدة فلكية، أي على 1013 متراً من الشمس. وبوضع مدار بلوتو (المتوسط) عند خمسة مليارات كم، أي 5 1012 متراً، نرى أن هذين المسبارين، وأقدمهما أُطلق عام 72، يقعان على مسافة تساوي ضعف قطر النظام الشمسي. في المقابل، فإن المسبار أوليسيس، الذي يصعد في الكون خارج مستوى البروج، لا يصعد إلا إلى ثلاث مئة مليون كم، أي عُشر مدار أورانوس، أو سُدس مدار بلوتو. فأوليسيس إذن أقرب بكثير إلى الشمس. لكن الشذوذ في التسارع الملاحظ لأوليسيس هو 12 10-8 سم/ث²، أي أكبر بـ1.4 مرة من الشذوذات المسجلة لمسباري بايونير. ويبدو أن هذا يستبعد مبدئياً مسار "الثابت الكوني".

...وماذا عن تأثير قد يكون مرتبطاً ببيئة من مادة توأمية تنافرية؟ في هذا المنظور، وبما أن المادة والمادة التوأمية تتنافران، فإن الأخرى تغيب حيث تسود إحداهما، والعكس صحيح. وفي المخطط الذي أشرت إليه، ستقع تكتلات كبيرة من المادة التوأمية في مركز "الفراغات الكبرى" التي تشكل البنية الواسعة النطاق للكون (VLS). وتنتظم المادة حينها في جوار بنى توحي بـ"فقاعات صابون متلاصقة"، مع كون عناقيد المجرات نقاط التقاء ثلاث طبقات. وفي هذه "الصفائح": المجرات، تسبح في بيئة من مادة توأمية ساخنة، مهيكلة كضرب من الجبن السويسري، مع تعشيش المجرات في الفراغات. لكن كل هذا يبقى تخطيطياً. فالمادة التوأمية تميل إلى التسرب إلى كل مكان تستطيعه. والمجرة ليست توزيعاً منتظماً للمادة. وبالنسبة للتجمعات النجمية، فهي حبيبات مادة صغيرة جداً تسكن فراغات هائلة. وفي هذه الفراغات، سحب من الغاز بين النجمي، بالتأكيد. لكن المادة ليست حاضرة في كل مكان. وحيث تكون المادة في حالة نادرة، تتسرب المادة التوأمية. لذا يمكن تصور أن الفضاء بين النجمي قد يحتوي على مادة توأمية بكثافة ضعيفة. وهذه تسهم حينها في "احتواء" النظام، لكن بشكل ضئيل. فالنظام الشمسي، بالنسبة للجاذبية، يمكن تمثيله في التقريب الأول بكتلة نقطية: كتلة الشمس، أي 2 1030 كيلوغراماً. وبالنسبة لهذه الكتلة، ليست الكواكب إلا أجساماً مضطربة صغيرة. وبالتالي، لو وُجد توزيع للمادة التوأمية، فسيكون له في التقريب الأول توزيع ذو تماثل شبه كروي. وبين النجوم، بعيداً عن الشمس، ستكون لهذه المادة التوأمية كثافة r* شبه ثابتة، تنخفض عند الاقتراب من الشمس. وهذه الفجوة هي التي، بتأثيرها الاحتوائي، ستكبح المسابر الفضائية. وسيلزم تقييم هذا التوزيع بمساعدة محاكاة عددية، ثم رؤية إن كان تفسير كهذا سيتوافق مع دقة التقاويم الفلكية.

عداد مُهيأ في 12 ديسمبر 2001. عدد الزيارات: