Φυσική ανωμαλία στην επιτάχυνση των διαστημοσυσκευών Pioneer

Στις 5 Οκτωβρίου 1998, το περιοδικό Physical Review Letters δημοσίευσε, στο τεύχος 81, ένα άρθρο με τίτλο:

Ένδειξη, από δεδομένα των Pioneer 10/11, Galileo και Ulysses, μιας φαινομενικά ανώμαλης, ασθενούς, μακροπρόθεσμης επιτάχυνσης.

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

.....Αναφορά: Αριθμοί PACS: 04.80.-y, 95.Eg, 95.55.Pe

.....Ακολουθεί η περίληψη (abstract), πρώτα στα αγγλικά και έπειτα η μετάφρασή της στα γαλλικά:

Τα ραδιομετρικά δεδομένα από τις διαστημοσυσκευές Pioneer 10/11, Galileo και Ulysses δείχνουν μια φαινομενικά ανώμαλη, σταθερή επιτάχυνση που ασκείται στις διαστημοσυσκευές, με μέγεθος 8,5 x 10

cm/s

, κατευθυνόμενη προς τον Ήλιο. Δύο ανεξάρτητα προγράμματα και φυσικές στρατηγικές χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση των δεδομένων. Ένας αριθμός πιθανών αιτίων έχει αποκλειστεί. Συζητάμε μελλοντικούς κινηματικούς έλεγχους και πιθανές προέλευσεις του σήματος.

Τα ραδιοσήματα που εκπέμπουν οι διαστημοσυσκευές Pioneer 10, Pioneer 11 και η διαστημοσυσκευή Ulysses αναφέρουν μια ανώμαλη επιτάχυνση, κατευθυνόμενη προς τον Ήλιο, της τάξης των 8,5 x 10

cm/s

. Δύο ανεξάρτητα προγράμματα υπολογισμού χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση των δεδομένων που ελήφθησαν. Ορισμένες πιθανές αιτίες μπόρεσαν να αποκλειστούν. Αναφέρονται μελλοντικοί κινηματικοί έλεγχοι και τίθενται ερωτήματα για την προέλευση αυτού του φαινομένου.

Pioneer X

.....Ακολουθεί μια περίληψη του άρθρου με ορισμένα αποσπάσματα.

....Η εξερεύνηση των μακρινών πλανητών ξεκίνησε το 1972 με την εκτόξευση της Pioneer 10, ακολουθούμενη από την Pioneer 11 το 1973. Αφού υπέστησαν βαρυτική σφεντόνα διασχίζοντας τον Δία και τον Κρόνο, οι δύο διαστημοσυσκευές ακολούθησαν υπερβολικές τροχιές, οι οποίες τις οδηγούν να εγκαταλείπουν το ηλιακό σύστημα. Παρόλο που η Pioneer 10 εξακολουθεί να μεταδίδει σήματα, η NASA τερμάτισε επίσημα αυτή την αποστολή στις 31 Μαρτίου 1997, όταν η διαστημοσυσκευή βρισκόταν σε απόσταση 67 αστρονομικών μονάδων από τον Ήλιο. Το ραδιοσύστημα της Pioneer 11, από την πλευρά του, τέθηκε εκτός λειτουργίας την 1η Οκτωβρίου 1990, όταν αυτή η δεύτερη διαστημοσυσκευή βρισκόταν σε απόσταση 30 αστρονομικών μονάδων από τον Ήλιο. Παρ' όλα αυτά, λόγω της εξαιρετικής σταθεροποίησής τους μέσω περιστροφής, αυτές οι διαστημοσυσκευές αποτελούν πολύ καλά εργαλεία για δυναμικές μελέτες. Μπορούν να γίνουν μετρήσεις επιτάχυνσης (στην πραγματικότητα επιβράδυνσης), διαμορφώνοντας τις μετρήσεις σε πέντε ημέρες, οι οποίες οδηγούν σε ακρίβεια εκτίμησης της τάξης των ~ 10-10 cm/s2. Επομένως, αναλύθηκαν οι τροχιές αυτών των δύο σκαφών στο JPL (Jet Propulsion Laboratory), στο τμήμα DSN (Deep Space Network). Σε αυτόν τον τύπο ανάλυσης, λήφθηκαν φυσικά υπόψη οι διαταραχές που οφείλονται στους πλανήτες, η πίεση ακτινοβολίας, η επίδραση του διαπλανητικού μέσου, οι επιδράσεις της Γενικής Σχετικότητας. Εν συντομία, λήφθηκαν όλες οι προφυλάξεις για να επιτευχθεί ένα αποτέλεσμα ανάλυσης που αποκλείει όλες τις γνωστές αιτίες παραλλαγών σε σχέση με μια απλή κεπλεριανή τροχιά. Από το 1980, όταν η επίδραση της πίεσης ακτινοβολίας (η οποία μειώνεται ως r-2) μπορούσε να αγνοηθεί, η οποία προκαλεί, σε απόσταση 20 αστρονομικών μονάδων, μια επιτάχυνση μικρότερη από 5 x 10-8 cm/s2, οι αναλύσεις ανέφεραν μια ανώμαλη συνιστώσα επιβράδυνσης, μια «επιτάχυνση κατευθυνόμενη προς τον Ήλιο» (για να χρησιμοποιήσουμε τον όρο που χρησιμοποιείται στο άρθρο) με τυπική τιμή: (8 ± 3) 10-8 cm/s2. Τότε εξετάσαμε αν αυτή η επίδραση θα μπορούσε να οφείλεται:

• στο βαρυτικό πεδίο της ζώνης του Kuiper
• στο βαρυτικό πεδίο του γαλαξία
• σε σφάλματα στις εφημερίδες
• σε τυπικά σφάλματα στην εκτίμηση της θέσης της Γης
• σε φαινόμενα μετάπτωσης και nutation (ταλάντωσης).

....Αλλά καμία από αυτές τις «δυνάμεις» δεν κατάφερε να δικαιολογήσει μια τέτοια επίδραση: έλειπε κατά τρεις τάξεις μεγέθους. Έπειτα φανταστήκαμε ότι το φαινόμενο θα μπορούσε να οφείλεται στην πτώση της ισχύος των γεννητριών ηλεκτρικής ενέργειας, του plutonium (πλουτώνιου). Αλλά αυτή η αιτία αποκλείστηκε, διότι αν έτσι ήταν, το φαινόμενο θα μεταβαλλόταν με τον χρόνο ανάλογα με την πτώση της ισχύος αυτών των onboard (ενσωματωμένων) πηγών ηλεκτρικής ενέργειας. Έτσι, οδηγήκαμε στο συμπέρασμα ότι οι διαστημοσυσκευές υπέστησαν μια επιτάχυνση κατευθυνόμενη προς τον Ήλιο της τάξης:

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

....Αυτές οι τιμές δεν μεταβλήθηκαν, στο επίπεδο ευαισθησίας 2 10-8 cm/s2 σε ένα εύρος αποστάσεων από 40 έως 60 αστρονομικές μονάδες. Τότε σκεφτήκαμε την επίδραση μιας δύναμης οπισθέλκουσας, μιας δράσης του ιξώδους του περιβάλλοντος μέσου, ανάλογη με την ταχύτητα των διαστημοσυσκευών. Αλλά αυτό δεν ήταν πολύ πιθανό, δεδομένου ότι οι τροχιές αυτών των δύο διαστημοσυσκευών είναι αρκετά διαφορετικές από μια ακτινική τροχιά, σε σχέση με τον Ήλιο.

...Επεκτείναμε τότε τις αναλύσεις μας σε δύο άλλες διαστημοσυσκευές: το Galileo και τη διαστημοσυσκευή Ulysses, η οποία βρίσκεται εκτός του επίπεδου της εκλειπτικής. Ήταν διαθέσιμες τεράστιες ποσότητες δεδομένων, σχετικά με τις μετρήσεις μέσω φαινομένου Doppler. Γρήγορα φάνηκε αδύνατο να εξάγει οτιδήποτε από τα δεδομένα που σχετίζονται με το Galileo, δεδομένης της μη αμελητέας επίδρασης της πίεσης ακτινοβολίας, που σχετίζεται με τον Ήλιο. Αντίθετα, η ανάλυση των δεδομένων που αφορούν το Ulysses αποκάλυψε μια επιτάχυνση άγνωστης προέλευσης, πάντα κατευθυνόμενη προς τον Ήλιο, της τάξης:

...- ( 12 ± 3 ) 10-8 cm/s2

...Εντοπίζοντας το ίδιο φαινόμενο με αυτό το τρίτο σκάφος, σκεφτήκαμε τότε ότι θα μπορούσε να πρόκειται για σφάλμα σχετικό με τον κώδικα που χρησιμοποιήθηκε. Επομένως, αλλάξαμε εργαλείο ανάλυσης χρησιμοποιώντας το CHASMP (Compact High Accuracy Motion Program): καμία αλλαγή. Οδηγήκαμε να εξετάσουμε αν οι ατομικές ρολογιές θα μπορούσαν να «παράγονται με τον χρόνο» ή ακόμη και να δίνουν διαφορετικές τιμές σε διαφορετικά σημεία της Γης (...).

...Τούτο notwithstanding (παρ' όλα αυτά), για το Galileo εντοπίστηκε το ίδιο φαινόμενο ( 8 ± 3 ) 10-8 cm/s2 : Αλλά η εγγύτητα του Ήλιου έκανε τότε αυτή την τιμή πρακτικά ίση με αυτή που προκύπτει από την επίδραση της πίεσης ακτινοβολίας (η οποία, από την άλλη πλευρά, μπορούσε να αγνοηθεί πλήρως για την Pioneer 10, την Pioneer 11 και το Ulysses).

...Σκεφτήκαμε έπειτα για μια άγνωστη αλληλεπίδραση μεταξύ των φωτονίων που προέρχονται από τα κύματα και του ηλιακού ανέμου (...). Οι συζητήσεις στράφηκαν έπειτα σε μελλοντικές αποστολές όπως το «Pluto Express» και το «Solar Probe».

..Αναρωτηθήκαμε αν αυτή η επίδραση θα μπορούσε να αποδοθεί στην παρουσία dark matter (σκοτεινής ύλης) στο ηλιακό σύστημα, αλλά αυτός ο τύπος ερμηνείας συνεπαγόταν την παρουσία ποσότητας σκοτεινής ύλης μεγαλύτερης από 3 10-4 ηλιακές μάζες. Αλλά αυτό θα αντιφάσκονταν τότε με την αξιοπιστία των ακριβών εφημερίδων, βασισμένης στην ορατή ύλη. Είδαμε ότι μια παρασιτική μάζα δύο τάξεις μεγέθους μικρότερη θα αρκούσε για να δημιουργήσει παρατηρήσιμες διαταραχές, ακόμη και για τόσο μακρινά αντικείμενα όπως ο Ουρανός. Η υποψία της σκοτεινής ύλης έπρεπε λοιπόν να εγκαταλειφθεί, όπως και η υπόθεση ενός σμήνους «μαζικών νετρίνων».

..Εξετάσαμε τότε την τροποποίηση του βαρυτικού δυναμικού λαμβάνοντας υπόψη την προσθήκη μιας δύναμης Yukawa. Η αναφορά είναι:

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

..Το βαρυτικό δυναμικό γίνεται τότε:

l είναι η ακτίνα δράσης αυτής της νέας δύναμης. Αυτός ο τύπος μοντέλου οδηγεί σε μια σταθερή επιτάχυνση:

όπου a1 είναι η Νευτώνεια επιτάχυνση στην απόσταση r1 = μία αστρονομική μονάδα. Εξετάσαμε επίσης άλλα μοντέλα όπου ο νόμος του Νεύτωνα τροποποιείται. Τούτο notwithstanding, αυτή η τροποποίηση του νόμου του Νεύτωνα θα πρέπει τότε να έχει επιρροή στις τροχιές των πλανητών του ηλιακού συστήματος. Για πλανήτες όπως ο Άρης, σκάφη τύπου Viking είναι σε θέση να ανιχνεύουν παραλλαγές στις τροχιακές παραμέτρους της τάξης των εκατό μέτρων. Συνδυάζοντας τις επιδράσεις που θα υπέστησαν τόσο ο Άρης όσο και η Γη, η ακρίβεια της μέτρησης θα ήταν τότε 150 μέτρα. Όμως:

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

Μετάφραση: «Δεν εντοπίζεται το φαινόμενο Pioneer.... μια τόσο σημαντική σφάλμα θα ήταν σε διαφωνία με τα δεδομένα των εφημερίδων».

...Το συμπέρασμα: αν αυτή η τροποποίηση του νόμου του Νεύτωνα είχε επίδραση στις τροχιές του Άρη και της Γης (επομένως είχε αξίωση καθολικότητας), οι περιορισμοί που επιβάλλονται από την ακρίβεια των μετρήσεων του Viking κάνουν την επίδραση να πρέπει να είναι μικρότερη από 0,1 10-8 cm/s2 .

..*.**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. *

Μετάφραση: Κατά συνέπεια, αν η ανώμαλη ακτινική επιτάχυνση που εντοπίστηκε για τις διαστημοσυσκευές που περιστρέφονται γύρω από τον εαυτό τους είχε βαρυτική προέλευση, η επίδραση δεν θα αντιστοιχούσε σε έναν νέο καθολικό νόμο. Πράγματι, αυτό θα σήμαινε ότι αυτή η επίδραση θα αποδεικνύονταν πιο σημαντική για αντικείμενα της μάζας της τάξης του ενός τόνου παρά για αντικείμενα τόσο μαζικά όσο οι πλανήτες, και αυτό κατά έναν παράγοντα εκατό ή περισσότερο.

...Στο περιθώριο, σημειώστε ότι τα δεδομένα του Viking αναλύθηκαν επίσης με έναν δεύτερο κώδικα (CHASMP), που αναφέρθηκε παραπάνω.

...Το συμπέρασμα του άρθρου: η αιτία του φαινομένου παραμένει προς το παρόν ένα πλήρες μυστήριο. Φυσικά, τότε θέλουμε να αναρωτηθούμε αν ένα τέτοιο φαινόμενο, ασθενές μεν αλλά τέλεια μετρήσιμο, θα μπορούσε να οφείλεται στην απωθητική επίδραση ενός περιβάλλοντος διπλής ύλης (matter gémellaire), η οποία έχει την τάση, σε όλες τις κλίμακες, να διεισδύει παντού όπου η ύλη απουσιάζει. Σύμφωνα με το μοντέλο μου, το «διαστρικό κενό» θα περιείχε (στον γειτονικό σύμπαν σε σχέση με τον δικό μας) μια πυκνότητα διπλής ύλης πολύ μεγαλύτερη από την πυκνότητα μιας ύλης που έχει γίνει πολύ αραιή. Μια συστηματική μελέτη, μια μοντελοποίηση, προσομοιώσεις σε υπολογιστή θα αποτελούσαν ένα πολύ όμορφο θέμα διατριβής. Δυστυχώς, ο бедный (καθόλου) φοιτητής που θα ventured (τολμούσε) σε τέτοια νερά θα έβλεπε την ερευνητική του καριέρα αμέσως obliterated (καταστρεμένη), οριστικά.

Ο Rémy Chauvin είναι ο συγγραφέας μιας φράσης που θα χρησιμεύσει ως συμπέρασμα:

...Όταν κάποιος θέλει να αναλάβει κάτι, έχει αμέσως εναντίον του:

...........- Τους ανθρώπους που κάνουν το ίδιο πράγμα

...........- Όσους κάνουν το αντίθετο

*...........- Όσους δεν κάνουν τίποτα. *

Μια παρατήρηση στο περιθώριο : Θα μπορούσε να θεωρηθεί (μια λεπτομέρεια που δεν αναφέρθηκε στο άρθρο) ότι αυτή η ανώμαλη επίδραση επιτάχυνσης θα μπορούσε να σχετίζεται με ένα «φαινόμενο κοσμολογικής σταθεράς». Αλλά, δεδομένου ότι το παρατηρηθέν φαινόμενο παίζει προς την κατεύθυνση μιας επιβράδυνσης, θα έπρεπε τότε να μιλήσουμε για «αtractive power (ελκτική δύναμη) του κενού». Από την άλλη πλευρά, αυτή η επίδραση θα πρέπει να αυξάνεται με την απόσταση. Όμως οι διαστημοσυσκευές Pioneer, ή τουλάχιστον μία από αυτές, βρίσκονται σε περίπου 60 αστρονομικές μονάδες, δηλαδή σε 1013 μέτρα από τον Ήλιο. Τοποθετώντας την (μέση) τροχιά του Πλούτωνα στα πέντε δισεκατομμύρια χιλιόμετρα, δηλαδή 5 1012 μέτρα, βλέπουμε ότι αυτές οι διαστημοσυσκευές, από τις οποίες η παλαιότερη εκτοξεύτηκε το 1972, βρίσκονται σε δύο φορές τη διάμετρο του ηλιακού συστήματος. Αντίθετα, η διαστημοσυσκευή Ulysses, που αναβαίνει τον cosmos (σύμπαν) εκτός του επίπεδου της εκλειπτικής, ανεβαίνει μόνο στα τριακόσια εκατομμύρια χιλιόμετρα, δηλαδή το ένα δέκατο της τροχιάς του Ουρανού, ή το ένα έκτο της τροχιάς του Πλούτωνα. Το Ulysses είναι λοιπόν πολύ πιο κοντά στον Ήλιο. Όμως η ανωμαλία επιτάχυνσης που παρατηρήθηκε για το Ulysses είναι 12 10-8 cm/s2, δηλαδή 1,4 φορές μεγαλύτερη από τις ανωμαλίες που καταγράφηκαν για τις διαστημοσυσκευές Pioneer. Αυτό φαίνεται λοιπόν να αποκλείει εκ των προτέρων την υποψία «κοσμολογικής σταθεράς».

...Τι γίνεται με ένα φαινόμενο που θα σχετιζόταν με ένα περιβάλλον απωθητικής διπλής ύλης; Σε αυτή την οπτική, δεδομένου ότι η ύλη και η διπλή ύλη απωθούνται, εκεί όπου η μία κυριαρχεί, η άλλη απουσιάζει, και vice-versa (αντίστροφα). Στο σχήμα που έχω υποδείξει, μεγάλοι συσσωματώσεις διπλής ύλης θα βρίσκονταν στο κέντρο των «μεγάλων κενών» που αποτελούν τη μεγάλη κλίμακα δομή του σύμπαντος (VLS). Η ύλη θα arranged (τακτοποιούνταν) τότε κοντά σε δομές που evoke (ανακαλούν) «συνδεδεμένες σαπουνόφουσκες», οι σμήνη γαλαξιών being (είναι) τα σημεία συνάντησης τριών επιφανειών. Σε αυτές τις «πλάκες»: οι γαλαξίες, bathing (βουτιέμενοι) σε ένα περιβάλλον ζεστής διπλής ύλης, structured (δομημένης) σαν ένα είδος gruyère (τυριού με τρύπες), οι γαλαξίες being (είναι) nestled (φωλιάζοντας) στις κενές χώρες. Αλλά όλα αυτά παραμένουν schematic (σchematic). Η διπλή ύλη tends (έχει την τάση) να διεισδύει παντού όπου μπορεί. Ένας γαλαξίας δεν είναι μια uniform (ομοιόμορφη) κατανομή ύλης. Vis à vis (Σε σχέση με) τους stellar (αστρικούς) πληθυσμούς, είναι tiny (μικροσκοπικά) κόκκοι ύλης που populate (πληθυσμιακά) huge (τεράστιων) κενών. Σε αυτά τα κενά, νεφών (νεφών) διαστρικού αερίου, ναι μεν. Αλλά η ύλη δεν είναι omnipresent (πανταχού παρούσα). Εκεί όπου βρίσκεται σε αραιή κατάσταση, η διπλή ύλη διεισδύει. Μπορούμε λοιπόν να φανταστούμε ότι ο διαστρικός χώρος θα μπορούσε να περιέχει διπλή ύλη, σε χαμηλή πυκνότητα. Αυτή contributes (συνεισφέρει) τότε στο «confinement» (περιφράγματος) του συστήματος, αλλά minime (ελάχιστη). Το ηλιακό σύστημα, vis-à-vis (σε σχέση με) τη βαρύτητα, μπορεί κατά πρώτο τάξη να figuré (εικονιστεί) ως μια point (σημειακή) μάζα: αυτή του Ήλιου, δηλαδή 2 1030 κιλά. Σε σχέση με αυτή τη μάζα, οι πλανήτες είναι μόνο μικρά perturbing (διαταρακτικά) αντικείμενα. Κατά συνέπεια, αν υπάρχει κατανομή διπλής ύλης, αυτή θα είχε, κατά πρώτο τάξη, μια κατανομή possessing (που έχει) μια quasi-spherical (σχεδόν σφαιρική) συμμετρία. Μεταξύ των αστέρων, μακριά από τον Ήλιο, αυτή η διπλή ύλη θα είχε μια density (πυκνότητα) r* quasi-constant (σχεδόν σταθερή), που θα fell (έπεφτε) όταν πλησιάζουμε τον Ήλιο. Αυτή η κενή χώρα (lacuna), having (έχοντας) μια confining (περιφρακτική) επίδραση, θα brake (φρενάρει) τις διαστημοσυσκευές. Θα έπρεπε να evaluate (αποτιμηθεί) αυτή η κατανομή με τη βοήθεια numerical (αριθμητικών) προσομοιώσεων και να δούμε τότε αν μια τέτοια interpretation (ερμηνεία) θα ήταν compatible (συμβατή) με την ακρίβεια των εφημερίδων.

Αρχικός μετρητής初始化 (initialized) στις 12 Δεκεμβρίου 2001. Αριθμός επισκέψεων:

../sommaire_science.htm