Bildnachweis: NASA
Ein Pionier in der Ökologie ist eine „Art, die sich in einer zuvor kargen Umgebung etabliert“. Unter den Menschen „siedeln sich Pioniere in unbekanntem oder unbeanspruchtem Gebiet an“. Unter den Astrophilen war Pioneer unser erster Versuch, das Sonnensystem zu untersuchen. Aber es scheint, dass die beiden bahnbrechenden Bemühungen der NASA jetzt weniger Fortschritte in Richtung der Sterne gemacht haben als erwartet, und die Frage ist 'Warum?'.
Wenn die NASA eine Mission entwirft, werden Annahmen über die Betriebsumgebung des Fahrzeugs gemacht. Anfangs hatte die NASA große Bedenken, die beiden Pioneer-Sonden durch den Asteroidengürtel zu schicken – schließlich könnten sich zu all diesen Großen viele Kleine gesellen!
In der Zwischenzeit muss die NASA eine Flugroute planen, um das Flugzeug dorthin zu bringen, wo es hingeht. Je nach Route, Missionsnutzlast und anderen Anforderungen muss genügend Schub bereitgestellt werden, um den erforderlichen Auftrieb bereitzustellen. Der große Faktor, der den Schub beeinflusst, ist die Schwerkraft – je mehr Sie haben, desto mehr Schub benötigen Sie.
Eines der genialen Dinge an Pioneer 10 und 11 war die Entscheidung der NASA, das Paar mit einer Zweiwegekommunikation auszustatten, die für Dopplerverschiebungen empfindlich ist. Basierend auf Frequenzverschiebungen könnte die NASA die Geschwindigkeit des Fluggeräts relativ zu den Empfangsstationen auf der Erde bestimmen. Mit diesen Daten könnte die NASA die Triebwerke so einstellen, dass die Flugbahnen der Sonden auf ihre Ziele abgestimmt werden. (Beide Raumschiffe flogen am Jupiter vorbei, während Pioneer 11 in der Nähe von Saturn vorbeiflog.)
Solange die Sonden Treibstoff hatten, konnten die Missionscontroller Geschwindigkeiten und Flugbahnen anpassen. Aber sobald der Treibstoff ausgegangen war, konnten die beiden nur auf der Grundlage der Trägheit und der Schleuderdynamik eines Gasriesen Fortschritte machen.
Während des Trägheitsflugs traten Anomalien in den Bewegungen der beiden Fahrzeuge auf. Dopplerverschiebungen zeigten eine unerwartete Verlangsamung direkt außerhalb der Umlaufbahn von Uranus. Bei etwa 20 Erde-Sonne-Entfernungen (Astronomische Einheiten – AUs) begann die NASA eine „Blauverschiebung“ in den Sondenübertragungen zu sehen. Das Paar fuhr fort, den Blues zu singen, während es 10 AE später die Umlaufbahn von Neptun überschritt. Heute haben die Sonden ihre erwarteten Positionen um eine größere Entfernung als die Erde zum Mond verfehlt…
Über die Ursache der Blauverschiebung wird spekuliert. Pioneer 10 & 11 selbst wurden lange Zeit als Quelle ausgeschlossen. Die meisten Überlegungen führen eine unerwartete Zunahme der Anziehungskraft zur Sonne an. Bei der Rückübertragung von Signalen zur Erde „fallen“ die elektromagnetischen Strahlen des Raumfahrzeugs weiter in den Gravitationsschacht des Sonnensystems und dieser Schacht ist irgendwie „steiler“ als bisher angenommen. Heute sind die beiden auf ihrer Hinreise noch nicht so weit wie erwartet.
Die Frage lautet: „Was ist die Ursache für den unerwarteten Anstieg der Schwerkraft, der die Sonden beeinflusst?“. Eine Antwort liegt in „dunkler Materie“. Seltsamerweise liegt eine andere in der „dunklen Energie“ – der Gegenkraft zur Schwerkraft im Universum. Eine dritte ist im Bereich der „String-Theorie“ (zwei lokale „Branen“ – das Äquivalent zu lokalen n-dimensionalen „tektonischen Platten“ – können sich in unserem System schneiden). Eine Theorie bezieht sich auf die „Rückenanziehungskraft“ (von der gegenüberliegenden Seite des Sonnensystems gegenüber jeder Sonde). Es besteht auch die Möglichkeit, dass das Paar „Solare Quadrupolare Momente“ hat oder durch unerwartetes Material im Kuipergürtel außerhalb von Uranus verlangsamt wird.
Aber wenn es darum geht, die Täter ausfindig zu machen, können wir meist den Rat von Inspektor Louie aus dem Film Casablanca befolgen: „Runde die üblichen Verdächtigen zusammen.“
Beide Sonden sind jetzt mehr als 70 AE von der Sonne entfernt – aber immer noch innerhalb des Kuipergürtels des Sonnensystems. Ihr Verlangsamungsmuster deutet darauf hin, dass die Ursache der Anomalie weit verbreitet und konstant ist. In einem Papier vom 15. März 2005 mit dem Titel „Pioneer Anomaly: Gravitational pull due to the Kuiper belt“. Jose A. Diego und andere Forscher des Instituts für Astronomie der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko schreiben: „… es ist nicht nötig, am Anfang alle dunklen Kräfte des Universums zu beschwören Physik und wenn das nicht ausreicht, dann verwenden Sie schwere Maschinen.“
Und die Alltagsphysik? Warum natürlich der Kuipergürtel! Aber nicht genau der alte Kuipergürtel. Für Jose et al. beginnt der Kuipergürtel jetzt etwa 10 AE näher an der Sonne – knapp außerhalb der Umlaufbahn von Uranus – und hat eine Dicke von 1 AE. Der Kuiper-Gürtel des Teams hat auf fast das Doppelte der Masse der Erde zugenommen – etwas weniger als das Zehnfache, das ursprünglich vorgeschlagen wurde. Außerdem ist diese Masse auf die Umlaufbahn von Uranus ausgerichtet. Die Massenzunahme ergibt sich aus der Tatsache, dass die ursprünglichen Schätzungen der Gesamtmasse des Kuipergürtels auf kleinen Partikelgrößen beruhten. Durch die Einbeziehung von Eis größerer Größe – zusammen mit Gasen – in seine Zusammensetzung glaubt die Gruppe, dass genügend Masse erklärt werden kann, um zu erklären, warum die Sonden verlangsamt und die Trägersignale verschoben werden.
Das Team fährt fort: „… es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass der Gürtel auch die Umlaufbahn von Neptun beeinflussen würde…“. Tatsächlich würde jede Zunahme der Masse innerhalb des Kuipergürtels dazu führen, dass Neptun etwas näher an die Sonne herankommt. Das Team schätzt, dass sich der Massenschwerpunkt des Planeten bei jeder vollen Umdrehung von 164,8 Terranjahren um 1,62 Kilometer verschieben würde.
'Die radiale Dichteverteilung der Masse, die benötigt wird, um die konstante Beschleunigung in Richtung Sonne zu erklären, die von den Pioneer-Raumschiffen gemessen wird, kann durch Modelle der Entstehung des Sonnensystems erklärt werden.' schreibt das Team. Um die größere Massenkonzentration um die Umlaufbahn von Uranus zu erklären, beschreiben sie weiterhin „einen Materialtransport nach innen“ in Richtung der Umlaufbahn von Uranus im Laufe der Zeit.
Eine weitere potenzielle Quelle für eine unerwartete Verlangsamung ist der Luftwiderstand des Fahrzeugs, der durch einen stetigen Partikelstrom innerhalb des Gürtels verursacht wird. In diesem Szenario hätte der Kuiper-Gürtel auch mehr Materie als ursprünglich angenommen, aber dieses Material wäre gleichmäßig verteilt (um den konstanten Verlust des Impulses jeder Sonde zu berücksichtigen).
Was auch immer die ultimative Ursache für die Verlangsamung der Sonde ist, es besteht keine Befürchtung, dass das Paar – wie seine drei frühesten Vorgänger – seinen Kurs umkehren und in jeder Atmosphäre in unserer Nähe verbrennen wird. Diese beiden Pioniere sind immer noch dazu bestimmt, sich als erste Gesandte der Menschheit zu den Sternen „in unbekanntem oder unbeanspruchtem Territorium niederzulassen“.
Geschrieben von Jeff Barbour
