Physikalische Anomalie der Pioneer-Sonden

Am 5. Oktober 1998 veröffentlichte die Zeitschrift Physical Review Letters in ihrer Ausgabe 81 einen Artikel mit dem Titel:

**Indication, from Pioneer 10/11, Galileo, and Ulysses Data, of an Apparent Anomalous, Weak, Long-Range Acceleration. **

John D. Anderson, Philip A. Laing, Eunice L. Lau, Anthony S. Liu, Michael Martin Nieto und Slava G. Tuyshev

.....Referenz: PACS-Nummern: 04.80.-y, 95, Eg, 95.55.Pe

.....Im Folgenden das Abstract, zunächst auf Englisch, dann auf Französisch:

Radio metric data from the Pioneer 10/11, Galileo and Ulysses spacecraft indicate an apparent anomalous, constant, acceleration acting on the spacecraft with a magnitude 8.5 x 10

cm/s

, directed towards the Sun. Two independant codes and physical strategies have been used to analyze the data. A number of potential causes have been ruled out. We discuss future kinematic tests and possible origins of the signal.

Radio signals from the Pioneer 10, Pioneer 11 and Ulysses spacecraft indicate an apparent anomalous acceleration directed towards the Sun, with an order of magnitude of 8.5 x 10

cm/s

. Two independent computer programs have been used to analyze the data. Some potential causes have been ruled out. Future kinematic tests and possible origins of the signal are discussed.

Pioneer X

.....Es folgt eine Zusammenfassung des Artikels mit einigen Zitaten.

....Die Erforschung der fernen Planeten begann 1972 mit dem Start der Pioneer 10, gefolgt von der Pioneer 11 im Jahr 1973. Nachdem die beiden Sonden den Swing-by-Effekt bei Jupiter und Saturn durchlaufen hatten, folgten sie hyperbolischen Bahnen, wodurch sie das Sonnensystem verließen. Obwohl die Pioneer 10 immer noch Signale sendet, beendete die NASA offiziell die Mission am 31. März 1997, als die Sonde 67 astronomische Einheiten vom Sonnenstand entfernt war. Das Funksystem der Pioneer 11 wurde am 1. Oktober 1990 außer Betrieb genommen, als diese zweite Sonde 30 astronomische Einheiten vom Sonnenstand entfernt war. Trotzdem, aufgrund ihrer hervorragenden Rotationsstabilisierung, sind diese Sonden hervorragende Geräte für dynamische Studien. Beschleunigungsmaßnahmen (tatsächlich von Verzögerungen) können durchgeführt werden, indem die Messungen über fünf Tage gestaffelt werden, was zu einer Genauigkeit der Bewertung von ~ 10-10 cm/s2 führt. Daher wurden die Bahnen dieser beiden Geräte am JPL (Jet Propulsion Laboratory, im Department DSN (Deep Space Network) analysiert. Bei dieser Art der Analyse wurden selbstverständlich alle Störungen durch Planeten, die Strahlungsdruck, der Effekt des interplanetaren Mediums, sowie relativistische Effekte berücksichtigt. Kurz gesagt, alle Vorsichtsmaßnahmen wurden getroffen, um ein Analyseergebnis zu erhalten, das alle bekannten Ursachen für Abweichungen von einer rein keplerschen Bahn eliminiert. Ab 1980, als der Effekt des Strahlungsdrucks (der mit r-2 abnimmt) vernachlässigt werden konnte, was bei 20 astronomischen Einheiten eine Beschleunigung von weniger als 5 x 10-8 cm/s2 verursachte, zeigten die Analysen eine anomale Verzögerungskomponente, eine „zur Sonne gerichtete Beschleunigung“ (um den Begriff aus dem Artikel zu verwenden), deren typische Wert war: (8 ± 3) 10-8 cm/s2. Wir haben dann angenommen, dass dieser Effekt möglicherweise auf folgende Ursachen zurückzuführen sein könnte:

• das Gravitationsfeld der Kuipergürtel
• das Gravitationsfeld der Galaxie
• Fehler in den Ephemeriden - typische Fehler in der Bewertung der Erdposition
• Präzessions- und Nutationseffekte.

....Aber keine dieser „Kräfte“ konnte einen solchen Effekt erklären: es fehlten drei Größenordnungen. Danach wurde angenommen, dass der Effekt auf den Leistungsverlust der Bordgeneratoren, dem Plutonium, zurückzuführen sein könnte. Aber diese Ursache wurde ausgeschlossen, denn wenn dies der Fall gewesen wäre, hätte der Effekt zeitlich mit dem Leistungsverlust dieser Bordgeneratoren variieren müssen. Somit kamen wir zu dem Schluss, dass die Sonden eine zur Sonne gerichtete Beschleunigung unterlagen von:

....- (8,09 ± 0,20) 10-8 cm/s2 für Pioneer 10 ....- (8,56 ± 0,15) 10-8 cm/s2 für Pioneer 11

....Diese Werte blieben unverändert, bis zu einer Empfindlichkeit von 2 10-8 cm/s2 in einem Entfernungsbereich von 40 bis 60 astronomischen Einheiten. Dann dachten wir an den Effekt einer Widerstandskraft, einer Wirkung der Viskosität des umgebenden Mediums, proportional zur Geschwindigkeit der Sonden. Aber das war kaum glaubwürdig, da die Bahnen dieser beiden Sonden ziemlich unterschiedlich von einer radialen Bahn um die Sonne abwichen.

...Wir erweiterten dann unsere Analysen auf zwei weitere Sonden: Galileo und die Sonde Ulysses, deren Bahn außerhalb der Ekliptik liegt. Es gab riesige Mengen an Daten, die auf Dopplereffektmessungen bezogen waren. Es stellte sich schnell heraus, dass es unmöglich war, etwas aus den Daten der Galileo-Sonde zu extrahieren, da der nicht zu vernachlässigende Effekt des Strahlungsdrucks, verbunden mit der Sonne, vorhanden war. Im Gegensatz dazu zeigte die Analyse der Daten der Ulysses-Sonde eine unerklärliche Beschleunigung, immer noch zur Sonne gerichtet, mit einem Wert von:

...- (12 ± 3) 10-8 cm/s2

...Durch die Wiederholung des gleichen Phänomens mit diesem dritten Gerät dachten wir, dass es sich um einen Fehler im verwendeten Code handeln könnte. Wir wechselten also das Analysetool und verwendeten den CHASMP (Compact High Accuracy Motion Program): keine Veränderung. Wir kamen zu dem Schluss, dass die Atomuhren möglicherweise „im Zeitverlauf abweichen“ oder sogar unterschiedliche Werte an verschiedenen Punkten der Erde liefern (...).

...Doch es stellte sich heraus, dass Galileo das gleiche Phänomen aufwies (8 ± 3) 10-8 cm/s2: Doch die Nähe zur Sonne machte, dass dieser Wert praktisch gleich dem Wert war, der aus dem Effekt des Strahlungsdrucks stammte (der jedoch für Pioneer 10, Pioneer 11 und Ulysses vollständig vernachlässigt werden konnte).

...Dann dachten wir an eine unbekannte Wechselwirkung zwischen den Photonen aus den Wellen und dem Sonnenwind (...). Die Diskussionen gingen dann über zukünftige Missionen wie „Pluto Express“ und „Solar Probe“.

..Wir fragten uns, ob dieser Effekt nicht auf die Anwesenheit von Dunkler Materie im Sonnensystem zurückzuführen sein könnte, aber eine solche Interpretation würde die Anwesenheit einer Menge an Dunkler Materie von mehr als 3 10-4 Sonnenmassen erfordern. Das würde jedoch die Zuverlässigkeit der Genauigkeit der Ephemeriden, die auf sichtbarer Masse basieren, in Frage stellen. Es wäre ausreichend, eine Parasitenmasse von zwei Größenordnungen geringer, um beobachtbare Störungen zu erzeugen, auch für Objekte so fern wie Uranus. Die Spur der Dunklen Materie musste also aufgegeben werden, ebenso wie die Hypothese eines Schwarmes von „massiven Neutrinos“.

..Dann dachten wir daran, das Gravitationspotential zu verändern, indem wir eine Yukawa-Kraft hinzufügten. Die Referenz ist:

..M.M Nieto und T Goldman, Phys. Rev. Rep. 205, 221 (1991); 216, 343 (1992).

..Das Gravitationspotential wird dann:

l ist der Wirkungsradius dieser neuen Kraft. Dieser Art von Modell führt zu einer konstanten Beschleunigung:

wo a1 die Newtonsche Beschleunigung bei der Entfernung r1 = eine astronomische Einheit ist. Wir haben auch andere Modelle betrachtet, in denen das Newtonsche Gesetz verändert wird. Dieser Modifikation des Newtonschen Gesetzes sollte dann einen Einfluss auf die Bahnen der Planeten im Sonnensystem haben. Für Planeten wie Mars sind die Viking-Sonden in der Lage, Änderungen der orbitalen Parameter im Bereich von hundert Metern zu detektieren. Durch die Kombination der Effekte, die Mars und Erde erfahren, wäre die Messgenauigkeit dann 150 Meter. Doch:

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

Übersetzung: „Das Pioneer-Phänomen wird nicht beobachtet.... eine große Fehlerquelle würde mit den Gesamtephemeriden in Konflikt stehen.“

...Die Konsequenz: Wenn diese Modifikation des Newtonschen Gesetzes einen Effekt auf die Bahnen von Mars und Erde hat (also eine universelle Präsumtion hat), dann erzeugen die Genauigkeiten der Viking-Messungen, dass der Effekt kleiner als 0,1 10-8 cm/s2 sein müsste.

..*.**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 factor of 100 or more. This would be a strange violation of the Equivalence Principle. *

Übersetzung: Infolgedessen, wenn die anomale radiale Beschleunigung, die bei drehenden Raumsonden beobachtet wird, eine gravitative Ursache hat, handelt es sich nicht um eine neue universelle Gesetzmäßigkeit. Das würde bedeuten, dass dieser Effekt stärker auf Objekte mit einer Masse von etwa einer Tonne wirkt als auf Objekte mit der Masse von Planeten, und zwar um einen Faktor von 100.

...Zurück zu den Daten der Viking-Mission, die auch mit einem zweiten Code (CHASMP), bereits oben erwähnt, analysiert wurden.

...Die Schlussfolgerung des Artikels: Die Ursache des Effekts bleibt vorerst ein vollständiges Rätsel. Natürlich möchte man sich fragen, ob ein solcher Effekt, der zwar schwach, aber dennoch messbar ist, nicht auf den abstoßenden Effekt eines Umfelds aus Geminimaterie zurückzuführen sein könnte, das sich überall dort, wo Materie fehlt, einstellt. Laut meinem Modell würde das „interstellare Vakuum“ (im benachbarten Universum gegenüber unserem) eine Dichte an Geminimaterie aufweisen, die der Dichte einer sehr verdünnten Materie deutlich überlegen ist. Eine systematische Untersuchung, eine Modellierung und Computer-Simulationen wären ein sehr schönes Thema für eine Dissertation. Leider würde der arme Doktorand, der sich in solche Gewässer wagen würde, seine Forscherkarriere sofort und endgültig verlieren.

Remy Chauvin ist der Autor eines Satzes, der als Schlussfolgerung dienen wird:

...Wenn man etwas unternehmen möchte, hat man sofort gegen sich:

...........- Die Leute, die dasselbe tun

...........- Diejenigen, die das Gegenteil tun

*...........- Diejenigen, die nichts tun. *

Eine Bemerkung am Rande: Man könnte (ein Detail, das im Artikel nicht erwähnt wurde) denken, dass dieser anomale Beschleunigungseffekt mit einem „Kosmologischen Konstanteneffekt“ verbunden sein könnte. Doch da der beobachtete Effekt in Richtung einer Verzögerung wirkt, müsste man dann von „anziehender Wirkung des Vakuums“ sprechen. Außerdem sollte dieser Effekt mit der Entfernung zunehmen. Die Pioneer-Sonden, oder zumindest eine von ihnen, befinden sich etwa 60 astronomische Einheiten entfernt, also 1013 Meter von der Sonne. Wenn man die mittlere Umlaufbahn von Pluto bei fünf Milliarden Kilometern, also 5 1012 Meter, betrachtet, sieht man, dass diese Sonden, deren älteste 1972 gestartet wurde, zwei Mal den Durchmesser des Sonnensystems entfernt sind. Im Gegensatz dazu erreicht die Sonde Ulysses, die den Kosmos außerhalb der Ekliptik erklimmt, nur drei Hundert Millionen Kilometer, also ein Zehntel der Umlaufbahn von Uranus oder ein Sechstel der Umlaufbahn von Pluto. Ulysses ist also viel näher an der Sonne. Doch die konstante Beschleunigungsanomalie, die für Ulysses beobachtet wird, beträgt 12 10-8 cm/s2, also 1,4-mal größer als die Anomalien, die bei den Pioneer-Sonden gemessen wurden. Dies scheint also a priori die „kosmologische Konstante“ auszuschließen.

...Was ist mit einem Effekt, der mit einem abstoßenden Umfeld aus Geminimaterie verbunden ist? In dieser Hinsicht, da Materie und Geminimaterie sich gegenseitig abstoßen, ist dort, wo eine dominiert, die andere vorhanden, und umgekehrt. In dem Schema, das ich angegeben habe, würden große Mengen an Geminimaterie sich in den Zentren der „großen Leerräume“ befinden, die die großräumige Struktur des Universums (VLS) bilden. Die Materie würde sich dann in der Nähe von Strukturen anordnen, die „seifenblasenartigen“ Strukturen ähneln, wobei Galaxien die Verbindungspunkte von drei Schichten darstellen. In diesen „Platten“: Galaxien, die in einem Umfeld aus heißer, strukturierter Geminimaterie schwimmen, die wie ein Gruyère aussieht, wobei die Galaxien in den Lücken eingenistet sind. Doch all dies bleibt schematisch. Die Geminimaterie dringt überall hin, wo sie kann. Eine Galaxie ist keine gleichmäßige Verteilung von Materie. Im Verhältnis zu den Sternpopulationen sind es kleine Materieteilchen, die in riesigen Leerräumen bevölkern. In diesen Leerräumen gibt es zwar Wolken aus interstellarer Gas, aber die Materie ist nicht omnipräsent. Wo sie in verdünnter Form vorhanden ist, dringt die Geminimaterie ein. Man kann also annehmen, dass das interstellare Raum auch Geminimaterie in geringer Dichte enthalten könnte. Diese trägt dann zu einem „Einschluss“ des Systems bei, aber minimal. Das Sonnensystem, im Hinblick auf die Gravitation, kann im ersten Näherungswert durch eine Punktmasse dargestellt werden: die Sonne, also 2 1030 Kilogramm. Im Vergleich zu dieser Masse sind die Planeten nur kleine Störungen. Daher, wenn es eine Verteilung von Geminimaterie gibt, würde diese im ersten Näherungswert eine Verteilung mit einer annähernd kugelförmigen Symmetrie aufweisen. Zwischen den Sternen, fern von der Sonne, hätte diese Geminimaterie eine Dichte r* annähernd konstant, die abnimmt, wenn man der Sonne näher kommt. Dieser Mangel hat einen einschließenden Effekt und bremst die Raumsonden. Es wäre notwendig, diese Verteilung mit numerischen Simulationen zu bewerten und zu prüfen, ob eine solche Interpretation mit der Genauigkeit der Ephemeriden kompatibel ist.

Zähler am 12. Dezember 2001 initialisiert. Anzahl der Besuche :

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