A Pioneer 10/11 rejtélyes gyorsulásáról, avagy Einstein akkor sem tévedett, amikor a kozmológiai állandó bevezetése kapcsán, azt hitte, hogy tévedett?

Einstein élete legnagyobb tévedésének nevezte a kozmológiai állandó bevezetését! 

A Naprendszert elhagyó szondák útvonala.

Már több mint 30 éve, 1972. Március 2-án lőtték fel a Pioneer 10-et, amely az első szonda volt, ami elérte a külső bolygók egyikét, a Jupitert. A bolygót elérve, annak nagy gravitációját felhasználva a szonda hinta manővert hajtott végre, eredményeként elég lendületet kapott, hogy elhagyhassa a Naprendszert.
A Pioneer 11 1973. április 5.-én került fellövésre, útja során meglátogatta a Jupitert, majd a Szaturnuszt elérve a szonda testvéréhez hasonlóan hinta manőverrel hiperbolikus, Naprendszert elhagyó pályára tért. A két szonda nagyjából ellentétes irányba tart, a Pioneer 10 a Helioszféra csóvája felé, míg a Pioneer 11 a lökéshullám fronton fog áthaladni.

A Pioneer 10/11-nél a másik két Naprendszer elhagyó szondától (Voyager 1 és Voyager 2) eltérő forgási stabilizációt alkalmaztak, így a Pioneer szondáknak sokkal kevesebbszer kell kicsiny fúvókájukat beindítaniuk, hogy a Föld antennájuk sugárnyalábjának közepébe essék. E miatt a szondák sebességváltozása egészen E-10 m/s/s-es*** felbontással követhető. A nagy pontosság miatt a szonda alkalmas lehet arra, hogy felfedjen néhány Kuiper övi objektumot gravitációs hatása alapján ('92-ben a Pioneer 10 talált is egyet), de a E-10 m/s/s-es pontosság még arra is alkalmas lehet, hogy alacsony frekvenciás gravitációs hullámokat mutasson ki!
A Voyager-ek gyakori korrekciós hajtómű indítása a E-10 m/s/s-os pontosságot szépen "elmossa", így nem alkalmasak ilyen kutatásokra.

A Pioneer 10 ~4.28, míg a Pioneer 11 ~7.8 fordulatot tesz meg percenként a 2.74 méter átmérőjű parabola antennájuk középvonala által kijelölt tengely körül. A Pioneer 11-nek is a Pioneer 10-hez hasonló fordulatszámra kellett volna beállnia, azonban a kilövés után a forgás állító fúvóka hibája folytán a szonda gyors pörgését nem sikerült lelassítani.

A Pioneer 10/11 Nap felé mutató megmagyarázatlan gyorsulása. ( Vízszintes tengely: Naptól mért távolság csillagászati egységben, függőleges tengely: gyorsulás)

1980-ra a Pioneer 10 20 csillagászati egységre került a naptól, ekkorra a nap sugárzásából eredő sugárnyomás gyorsító hatása 5E-10 m/s/s-re mérséklődött, ezen a ponton mérték a legnagyobb eltérést a számítottól, mintegy 9e-10 m/s/s-os gyorsulást a Nap felé, tehát a szondát gyakorlatilag lassítja. Valamilyen eddig ismeretlen erő igyekszik megakadályozni a szondák (a Pioneer 11 mérései is hasonló értéket mutatnak, valamint ugyancsak lassulást mutattak ki a Galileo, Ulysses szondáknál is) kijutását a Naprendszerből! De milyen mértékű is ez az átlagosan (8.74±1.33)E-10 m/s/s-es gyorsulás? Jelenleg a Pioneer 10 mintegy 12 km/s-os sebességgel távolodik a Naptól, azaz egy nap alatt ~1 millió kilométert tesz meg, a titokzatos lassulásból eredően a szondák egy napos útjuk alatt csupán kb. 0.000 075 m/s sebesség csökkenést halmoznak fel

A szondák lassulása nem számottevő, ahhoz túl gyenge, hogy a szondákat Naprendszerben maradásra kárhoztassa, de mégis érdekes, hiszen feltehetjük a kérdést: vajon a természetnek egy eddig általunk nem ismert törvényével állunk szemben, vagy pedig egy, esetleg több fizikai törvényt nem ismerünk megfelelően? Vagy csak egy fizikai hatást jelentéktelenségéből fogva elhanyagoltak, és most mégis csak visszaköszön? Egy dolog szinte biztos: mivel a hatás a hibahatártól mintegy egy nagyságrenddel erősebb, valamint nem romolhat el egyszerre több szondának ugyanazon, a mérésekhez használt egysége, nem tekinthető mérési, számítási hibának. Mi lehet a lassulás kulcsa?

Mérések

Felül a Pioneer 10, alul a Pioneer 11 forgási sebességének diagramja. A főggőleges vonalak a szondák iránykorrekciós műveleteinek időpontjait jelölik.

A szondák pozíciójának meghatározásához a szondák kommunikációs rendszerét veszik igénybe, melynek lelke a 2.74 méteres antennán kívül az a transzponder, amely a szonda felé irányuló és a szonda által sugárzott jel frekvenciái közötti konvertálást végzi 240/221 arányban. Amikor a szondán doppler mérést végeznek, akkor a Földről egy 2.11 Ghz-es jelet küldenek a szonda felé, amely azt felfogva 240/221 arányban átkonvertálja 2.29 Ghz-re, amin visszaküldi ugyanazt a jelet. A szonda jelét felfogva és bizonyos kompenzálásokat elvégezve (pl. a Föld mozgása) már meg is kapjuk a szonda kétszeres doppler értékét, melyből könnyen kiszámíthatjuk a szonda sebességét. Doppler mérésnél használt berendezések frekvencia stabilitása E-12 körüli érték, azaz kb. 2.29 mHz-es doppler effektust már érzékelni tudnak, ami megfelel kb. 0.3 mm/s-os sebességkülönbségnek. Mint látható, a szondák sebességének meghatározása rendkívül pontos. A szondák távolsága egyszerűen számítható a Földről indított, és a szondától kapott válasz felfogásának időeltéréséből.

1990. október elsején a Pioneer 11 rádiója meghibásodott, eredményül többé nem lehetett doppler mérésekhez használni, azóta a mérések csak a Pioneer 10-re vonatkoznak.

A (8.74±1.33)E-10 m/s/s-es lassuláson kívül más furcsa jelenség is fellép a szondáknál: a forgási sebességük csökken. A Pioneer 10 esetében a lassulás ráadásul még elég változói is. Általánosságban a szondáknál kb. évi 0.01-es percenkénti fordulatszám csökkenést lehet megfigyelni. Ezt a szonda által használt körkörös (cirkuláris) polarizációja miatt lehet kimutatni: a Pioneer 11 a küldetése kezdetén 7.8 fordulatot tett meg percenként, átszámítva másodpercre 0.13 az eredmény. A szondák 2.29 Ghz-es alapfrekvenciájához 0.13 Hz-es többlet adódik.

A szondák felépítése

A Pioneer-ok főbb rendszerei.

A Pioneer 10 és 11 felépítése teljesen azonos. Kilövési tömegük 259 kg, ebből 36 kg-ot tett ki hidrazin üzemanyaguk. Szondák antennája mindig a Föld felé néz, ami a nagy távolság miatt már majdnem egybeesik a Nap irányával, így az antenna tányér a szonda minden berendezését leárnyékolja. A szonda hátulján, azaz a menetiránnyal szemben helyezkedik el a ~42 centiméter átmérőjű hidrazin hajtóanyagtartály, melynek forgástengelye egybeesik a szondáéval. A hidrazin tartályt egy hatszögletű felépítmény veszi körül, melynek egyik lapján helyezkedik el a szonda csaknem összes berendezése.
A szondáknak 3 pár kis hidrazin rakétájuk van az antenna kerületén elhelyezve.

Energia-ellátás

A szondák villamos-energia ellátását radioizotópos termoelektromos generátorok (RTG) biztosítják. Ezekből minden szondán 4 darab van, kettes csoportokba rendezve. A két RTG egység a szonda forgástengelyre merőlegesen van elhelyezve a műszerektől "távol", egy tartórúddal, melynek hossza 3 méter. A két egység egymástól 120 fokra el van tolva. A két RTG egységtől 120 fokra, (Y szára) 6.6 méteres tartórúdon pedig egy magnetométer található. Az RTG-k a kilövéskor összesen 160 W elektromos teljesítményt tudtak leadni, mely az óta a radioaktív izotópok bomlási törvényeinek megfelelően, exponenciálisan csökken (a felezési ideje ~88 év). Mára kb. 60 W az elektromos teljesítmény. Az RTG-k hatásfoka ~5.5 %, így adódik az, hogy kilövéskör együttesen mintegy 3 kW hőt termeltek. A szonda fűtésének nagy része elektromos energiával történik, de a szonda testében összesen 21 darab 1 wattos rádióizotópos fűtőkapszula is található. Az RTG jellegzetessége, hogy az általuk megtermelt elektromos energiát mindig fel kell használnia a szondának, mert különben az RTG elektronikájának élettartalma nagyon lecsökken. A szonda testén emiatt található egy "hősugárzó" ellenállás, ahol a felesleges villamos energia hővé alakul, és elhagyja a szondát.

Milyen erők hatnak a szondákra?
Belső erők

A szondákra sok erő hat, a kérdés csupán az, melyiket hanyagolhatjuk el, és melyiket nem. Fontos tudni, hogy (8.74±1.33)E-10 m/s/s-os lassulás több erő eredőjeként jön össze, melyek egy része gyorsítani, másik része lassítani igyekszik. A (8.74±1.33)E-10 érték az amit jelenleg nem tudnak megmagyarázni. Illetve magyarázatot már számtalant találtak, csak bizonyítékkal nem tudják alátámasztaniőket.

Az egyik legnagyobb, és jól modellezhető erő ami a szondát igyekszik gyorsítani, az a szonda rádiójelének visszahatása. A Pioneer-ok folyamatosan 8 W-os teljesítménnyel sugároznak a Föld, azaz majdnem a Nap felé. (már csak a Pioneer 10, a Pioneer 11 '90-ben történt meghibásodása végett) E = m*c*c, tehát a rádióhullámot fénysebességgel mozgó anyagnak is megfeleltethetjük, kiszámíthatjuk annak impulzusát: impulzus (I) = E / c. Az impulzus megmaradás törvényét felírva kapjuk: E / c = Msz * Vsz (Msz a szonda tömege, Vsz a szonda sebessége). Ha a szonda rádióadásának teljesítményét (8 W) helyettesítjük be E helyére, akkor az egy másodperc alatt történt sebességváltozást kapjuk eredményül, azaz a szonda gyorsulását a rádióhullám terjedésével ellentétes irányba. Az eredmény 1.1E-10 m/s/s, tehát a szondát ennyivel gyorsítja
1.1E-10 m/s/s a (8.74±1.33)E-10 értéktől nyolcszor kisebb, tehát 8*8 W extra hősugárzási teljesítmény, ami a menetirányba mutat, már megmagyarázná a szondák lassulását.

Az RTG-k kezdeti 3, mostanra ~2 kW-ra csökkent hőtermelésének sugárzásából nem juthat extra 64 watt a menetirányba? Számítások szerint az RTG-k hősugárzása csaknem izotropikus, de mivel az RTG-k a szonda testéhez relatíve közel vannak, a hősugárzás egy részét a szonda teste veszi fel, sugározza le újra. Egy részét pontosan a menetiránnyal ellentétesen.
A számítások eredménye szerint az RTG-k által lesugárzott hő 1.5-2 %-a jut a szonda testére, ez jelenleg 40 W-os hőterhelést jelent a szondának, amit újra le kell sugároznia. A lesugárzás egy része bizonyosan a menetirányba történik, eredményeként a szondának ~ -0.55 E-10 m/s/s-os lassulást ad.

A villamos energiát a szondának mindig teljes egészében fel kell használnia, eredményeként a villamos energiának nagy része hővé alakul át, ami a szonda testéről lesugárzódik, leginkább oldalirányban, hiszen a műszerek is a szonda oldalán találhatók. A hő egy része persze oldalirányba próbál eltávozni. Egy része a menetiránnyal ellenkező irányba az antenna felé, itt azonban az antenna tányér miatt nem találhat szabad utat, az ellentétes irányba viszont igen, hiszen ott nem árnyékol berendezés. Eredményül itt is lassulást kapunk, amely kb. 0.5E-10 m/s/s.

A Pioneer szondák rajza. Középen a piros gömb a hidrazin üzemanyagtartály.

Az RTG-k hőtermelésének a plutónium 238 bomlása az oka. Bomlás közben hélium keletkezik, amelynek el kell távozni az RTG-ből. A kiáramló gáz sebességére a számítások szerint 1.22 km/s adódik, míg a He termelődés üteme 0.77 g/év. Még ha az összes He is úgy távozik az RTG-kből, hogy annak visszahatása pontosan a Nap felé mutasson, akkor sem tudná a szondát 1.16E-10 m/s/s-nál jobban lassítani.

A szonda lassításában talán még részt vehet a hidrazin üzemanyag elszivárgása is, de ez nagyon valószínűtlen, ugyanis a hidrazin messze nem olyan illékony, mint a hidrogén. Vegyjele N2H2, viszonylag nagy molekulasúlyú, mérgező, vízszerű folyadék, normál nyomáson (1 bar) 1 C fok a fagyáspontja. A hidrazin egykomponensű rakéta üzemanyag, platina katalizátor segítségével gázzá válik, kitágulva nagy sebességgel hagyja el a fúvókát. Hidrazinra leginkább a Föld a szonda antennájának fókuszpontban tartására van szükségük. A szondák "fénykorukban" évi 4-5 ilyen korrekciós műveletet is végrehajtottak. Korrekciós műveletek alatt a hajtóművek impulzus üzemben dolgoznak, egy impulzus időtartalma 0.0312 másodperc, egy teljes korrekciós művelet kb. 25 impulzust kíván meg. A rakéták kikapcsolása során mindig fellép egy átmeneti szivárgás, de az nem jelentős, talán a forgási sebesség lassulásában van szerepe.

Külső erők

Külső erők, melynek oka nem a szondákban keresendő.
A (8.74±1.33)E-10 m/s/s-os gyorsulást magyarázhatjuk a Naprendszerben található gázok ellenállásával is. A szondának a menetirányra merőlegesen mintegy 6 négyzetméteres felülete van. Ahhoz, hogy megkapjuk a 8.74E-10-es lassulást azt kell feltételeznünk, hogy szondák 4E-16 kg/köbméter sűrűségű gázon szállnak keresztül. A Nap körüli 100 csillagászati egységű gömbben ez egy földtömegnyi anyagmennyiséget tenne ki. Azűr vákuumához képest ez valószínűtlenül nagy tömeg, illetve sűrűség.

A szondák Nap felé mutató gyorsulása.

A szondát biztosan gyorsítja a napfény sugárnyomása, valamint a napszél. A naptól egy csillagászati egység távolságban a szondák a sugárnyomásból eredően (6 négyzetméter * 1370 W / c = Msz * Vsz képletből, azt kétszer megszorozva a felvett hő lesugárzása miatt) 2.2E-7 m/s/s-el gyorsulnak, ami több is mint elég lenne a magyarázathoz. Ez azonban a napszél erejéhez hasonlóan (legalább) négyzetesen csökken. A rejtélyes gyorsulás pedig csökkenő tendenciát nem mutat. A sugárnyomás gyorsításához képest a napszél hatása 4 nagyságrenddel kisebb.

A szonda mágneses térben halad, ez pedig befolyásolhatja annak mozgását, számítások szerint túl gyenge a szondákat körülvevő mágneses tér ahhoz, hogy a szondák pályáját érdemben befolyásolja.

Új, eddig ismeretlen fizika hatás

Elméleti fizikusok jó néhány teóriát kidolgoztak már a lassulás magyarázatára. Egyesek szerint a Naprendszerben fellelhető sötét anyag miatt következik be a lassulás, mások szerint csak egyszerűen nem érvényes a gravitációs erő 1/( r*r )-es törvénye. Arra is gondoltak, hogy azűrben órákig terjedő rádióhullámok szenvednek olyan hatást, amit mi a szonda lassulásának értelmezünk.

Végszó

Mint láttuk, anélkül, hogy ne tételeznénk fel valamilyen új fizikai hatást, extra nagy bolygóközi/túli gáz/por sűrűséget, nem tudjuk megmagyarázni a szondák lassulását. Sőt, a 8 wattos folyamatos rádióadás keltette gyorsulás is alig kompenzálódik ki számítások alapján. Tehát vagy új hatás, vagy valamelyik számítás rossz.
A Pioneer szondákhoz hasonlóan a Galileo, Ulysses szondák is hasonló módon lassulnak, pedig az Ulysses a Jupiter pályájától nem repül távolabb. Occam borotvája szerint, ha egy jelenséget többféleképpen is meg tudunk magyarázni, az egyszerűbbet válasszuk. Kétségtelen, egy rossz számítás jóval egyszerűbb válasz, mint egy új fizikai hatás. Pioneer, Galileo, Ulysses, mind nagy RTG-ből veszik az energiát. Mint fentebb láttuk, 64 W menetirányú extra hősugárzással már teljes egészében magyarázható a lassulás. Az RTG-k 2000-3000 W-os teljesítményéhez képest nem is nagy szám ez a 64. Nem lehetséges, hogy az RTG-k teljesítményének csökkenésével, felületének hűlésből adódó hőtágulás/anyagfáradás új, addig zárt utat engedélyez a hőterjedésnek, sugárzásnak? Az RTG-k sugárzási képének nem szükséges túl nagy változása, hogy kijöjjön az extra 64 W.

Lehet, hogy ez a legegyszerűbb magyarázat, de bizonyíték erre sincsen. A kérdés továbbra is nyitott...

*** E-10 = 0.000 000 000 1, 2E-2 = 0.02

Polgár Sándor Dr