Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее - Игорь Лисов

Проверка данных по «Галилео», летящему к Юпитеру, не позволила выделить эффект на фоне давления солнечного света. А вот «Улисс» – европейский аппарат, выведенный в результате встречи с Юпитером на полярную орбиту вокруг Солнца, – тоже вроде бы испытывал непонятное дополнительное ускорение.

Тормозящее ускорение «Пионеров» настолько мало, что машину, едущую со скоростью 60 км/ч, оно смогло бы остановить через 650 с лишним лет. Но небесная механика – наука точная и не может принять даже такую микроскопическую нестыковку теории и факта без объяснений.

Филип Лэинг и Энтони Лю из Aerospace Corp. провели баллистические расчеты траекторий «Пионеров» на другом, независимо разработанном комплексе программ и получили практически такое же значение аномального ускорения. Исследователи рассмотрели и последовательно отвергли возможные внешние источники возмущений (гравитация тел пояса Койпера, гравитация Галактики, давление солнечного света), маневры поворота оси вращения КА и утечку топлива, неизотропное тепловое излучение, радиоизлучение бортового передатчика, а также ошибки планетных эфемерид и параметров ориентации Земли, ее прецессии и нутации.

Было выдвинуто два «экзотических» предположения об источнике аномалии – влияние скрытой массы («темной материи») и неточность закона всемирного тяготения Ньютона. Первое не проходило, потому что необходимое количество невидимого вещества во внутренней части Солнечной системы легко выявлялось бы и в движении планет. Второе невозможно было согласовать с уже имеющимися данными сопровождения марсианских аппаратов «Викинг» с точностью около 12 м по дальности. Радиусы орбит Земли и Марса из-за неньютоновской поправки изменились бы на десятки километров.

Четыре года спустя та же команда исследователей опубликовала обзор с результатами детального изучения проблемы. Команда Андерсона расширила временной диапазон данных по «Пионеру-10» – с 3 января 1987 г. по 22 июля 1998 г. (от 40 до 70,5 а.е.). Немоделируемый сдвиг частоты описывался величиной (5,99 ± 0,01) × 10–9 Гц/с. Значение аномального ускорения было определено в (8,74 ± 1,33) × 10–10 м/с2, но при желании эффект можно было описать и как ускорение времени в размере (2,92 ± 0,44) × 10–18 с/с2. Последнее было бы, пожалуй, еще интереснее.

К сожалению, из имеющихся данных невозможно было определить, какое из четырех потенциально возможных направлений имеет вектор аномального ускорения. Направлен ли он к Солнцу (и тогда у нас проблемы с пониманием гравитации), к Земле (проблемы с учетом или пониманием времени), вдоль направления движения (сопротивление среды той или иной природы) или вдоль оси вращения (бортовой источник). Все они, за исключением направления движения, были очень близки, а измерить боковую компоненту ускорения было нечем.

В работе 2002 г. были тщательно проанализированы возможные источники систематической ошибки по трем категориям (внешние по отношению к КА, внутренние и математические) и вычислены их возможные величины. Максимальный вклад получился у реактивной силы, связанной с излучением восьмиваттного передатчика через антенну HGA, но он был в восемь раз меньше наблюдаемого эффекта и имел противоположный знак. Учли неопределенности, связанные с отражением тепла РИТЭГов от корпуса и антенны КА, различием в их излучательной способности, утечкой вырабатываемого гелия, неизотропным радиационным охлаждением, неконтролируемой утечкой топлива через клапаны и т. д. Сумма всех неопределенностей составила 1,33 единицы при величине эффекта 8,74 единицы – он оставался статистически значимым.

В последующих исследованиях внимание сосредоточилось на тепловом выходе РИТЭГов. Они генерировали примерно 2600 Вт в начале полета и около 2000 Вт ближе к его концу. Прекрасный источник энергии, если учесть, что направленного излучения мощностью всего 65 Вт хватило бы для создания наблюдаемого ускорения. Неясен был, однако, механизм фокусировки рассеиваемого тепла. В 2003 г. Луис Шеффер показал возможность направленного излучения величиной 52 Вт. Это было намного больше, чем предполагалось в обзоре 2002 г., но все же меньше необходимого. В 2007 г. Виктор Тот предложил учесть наряду с тепловым излучением РИТЭГов тепловое излучение от рассеивания электрической энергии и от радиоизотопных нагревателей и получил сходную оценку.

Параллельно предлагалось, но без убедительного обоснования, множество вариантов объяснения «эффекта Пионеров» с привлечением как внутренних сил, так и «новой физики» различного рода (сопротивление космической среды, новые теории гравитации, расширения теории относительности, космологическая константа и темная энергия, ускорение времени).

Вячеслав Турышев, российский исследователь, работающий в JPL, проделал огромную работу по сбору информации о траекториях и маневрах «Пионеров» до 1987 г. и записей телеметрии и по сохранению от списания и уничтожения «бумажного» архива проекта. Ларри Келлогг из Центра Эймса отыскал и скопировал на оптические диски телеметрические записи обоих КА за все время полета. Не удалось найти лишь магнитные пленки с данными за отдельные короткие промежутки, в том числе, к сожалению, за дни пролета «Пионера-10» у Юпитера. При поддержке Крейга Марквардта из Центра Годдарда были собраны данные доплеровских измерений практически за все время полета. Пригодными для анализа оказались данные по «Пионеру-10» с февраля 1980 г. (дальность 18 а.е., суммарно 23,1 года) и по «Пионеру-11» с середины 1978 г. (9 а.е., суммарно 10,75 лет).

В результате анализа полного архива данных в 2011 г. Вячеслав Турышев, Виктор Тот, Джордан Эллис и Крейг Марквардт пришли к выводу, что аномальное ускорение «Пионеров» все-таки меняется со временем, уменьшаясь примерно на (0,17…0,18) × 10–10 м/с2 в год. Линейная и экспоненциальная модели ускорения давали практически одинаковый результат в части уменьшения невязок измерений. Удалось исключить вариант с ускорением вдоль вектора скорости, но данные не давали выбора между тремя остальными возможностями.

Наконец, в 2012 г. Турышев, Тот и их соавторы опубликовали работу с выводом о том, что несимметричное отражение рассеянного тепла действительно может быть причиной аномалии – величина результирующего ускорения, его направление и поведение во времени хорошо накладывались на реальные доплеровские измерения. Ими была построена полная конечно-элементная модель КА и получено численное решение уравнений теплопроводности и излучения с реальными данными телеметрии «Пионера-10» в качестве граничных условий. Далее, параметрическая модель силы теплового давления позволила заключить, что вклад в аномальное ускорение дают 1,04 % тепловой мощности РИТЭГов и 40,6 % мощности бортовой аппаратуры. Суммарно получилось 80 % наблюдаемого ускорения.

После этого исследователи включили параметрическую модель в расчет доплеровского сдвига частоты сигнала и получили наилучшее соответствие с реальными измерениями при коэффициентах вклада 1,44 % и 48,0 %. С учетом погрешностей результаты оказались в хорошем согласии – по-видимому, загадка «Пионеров» все-таки разгадана.

Основной целью программы «Вояджер» после встречи «Вояджера-2» с Нептуном стало изучение космической среды в пределах гелиосферы и в межзвездном пространстве.