Juno ist nicht genau dort, wo es sein soll. Die Flyby-Anomalie ist zurück, aber warum passiert sie?
In den frühen 1960er Jahren entwickelten Wissenschaftler die Gravitationsunterstützungsmethode, bei der ein Raumfahrzeug einen Vorbeiflug an einem großen Körper durchführt, um seine Geschwindigkeit zu erhöhen. Viele bemerkenswerte Missionen haben diese Technik verwendet, einschließlich derPionier,Reisen, Galileo, Cassini und Neue HorizonteMissionen. Bei vielen dieser Vorbeiflüge haben Wissenschaftler eine Anomalie festgestellt, bei der die Geschwindigkeitserhöhung der Raumsonde nicht mit Orbitalmodellen übereinstimmte.
Dies ist als „Flyby-Anomalie“ bekannt geworden, die trotz jahrzehntelanger Forschung Bestand hatte und allen bisherigen Erklärungsversuchen widerstand. Um dies zu adressieren, hat ein Forscherteam der Universitätsinstitut für multidisziplinäre Mathematik an der Universitat Politecnica de Valencia haben ein neues Orbitalmodell entwickelt, das auf den Manövern derJunoSonde.
Die Studie, die kürzlich unter dem Titel „ Eine mögliche Vorbeiflug-Anomalie für Juno bei Jupiter “, wurde von Luis Acedo, Pedro Piqueras und Jose A. Morano dirigiert. Gemeinsam untersuchten sie die möglichen Ursachen der sogenannten „Flyby-Anomalie“ anhand der Perijove-Bahn desJunoSonde. Beyogen aufJunosBei vielen Pol-zu-Pol-Umläufen stellten sie nicht nur fest, dass auch sie eine Anomalie aufwiesen, sondern boten eine mögliche Erklärung dafür.
Künstlerische Darstellung der Pioneer 10-Sonde, die 1972 auf den Markt kam und jetzt ihren Weg zum Stern Aldebaran nimmt. Bildnachweis: NASA
Um es aufzuschlüsseln, wird die Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs bestimmt, indem die Doppler-Verschiebung der Funksignale vom Raumfahrzeug zu den Antennen auf dem gemessen wird Deep-Space-Netzwerk (DSN). In den 1970er Jahren, als die Pionier 10undelf Sonden gestartet wurden, die Jupiter und Saturn besuchten, bevor sie sich zum Rand des Sonnensystems aufmachten. Diese Sonden erlebten beide etwas Seltsames, als sie zwischen 20 und 70 AE (Uranus zum Kuipergürtel) von der Sonne entfernten.
Im Grunde waren die Sonden beide 386.000 km (240.000 Meilen) weiter von dem entfernt, wo sie existierende Modelle vorhersagten. Dies wurde als „ Pionieranomalie “, die in der Weltraumphysik-Community zu einer allgemeinen Überlieferung wurde. Obwohl die Pioneer-Anomalie behoben wurde, trat das gleiche Phänomen seither bei nachfolgenden Missionen viele Male auf. Wie Dr. Acebo Universe Today per E-Mail sagte:
„Die „Flyby-Anomalie“ ist ein Problem in der Astrodynamik, das Anfang der 90er Jahre von einem Forscherteam des JPL unter der Leitung von John Anderson entdeckt wurde. Als sie versuchten, die gesamte Flugbahn der Galileo-Raumsonde bei ihrer Annäherung an die Erde am 8.NS, 1990, fanden sie heraus, dass dies nur möglich ist, wenn man bedenkt, dass die ein- und ausgehenden Teile der Trajektorie asymptotischen Geschwindigkeiten entsprechen, die sich um 3,92 mm/s von dem unterscheiden, was theoretisch erwartet wird.
„Der Effekt tritt sowohl in den Doppler- als auch in den Entfernungsdaten auf, ist also keine Folge der Messtechnik. Später wurde es auch in mehreren Vorbeiflügen gefunden, die Galileo 1992 erneut durchführteNEAR [Near Earth Asteroid Rendezvous Mission] im Jahr 1998, Cassini im Jahr 1999 oder Rosetta und Messenger im Jahr 2005. Die größte Diskrepanz wurde für NEAR (ca Erdoberfläche am Perigäum.“
Die Raumsonde Juno der NASA startete am 6. August 2011 und sollte am 4. Juli 2016 den Jupiter erreichen. Bildnachweis: NASA / JPL
Ein weiteres Rätsel ist, dass die Anomalie zwar in einigen Fällen klar war, in anderen jedoch an der Schwelle zur Erkennbarkeit war oder einfach fehlte – wie es bei . der Fall warJunoVorbeiflug an der Erde im Oktober 2013. Das Fehlen einer überzeugenden Erklärung hat zu einer Reihe von Erklärungen geführt, die vom Einfluss der Dunklen Materie und Gezeiteneffekte bis hin zu Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Existenz neuer Physik reichen.
Keine davon hat jedoch eine substanzielle Erklärung geliefert, die Vorbeiflug-Anomalien erklären könnte. Um dies zu beheben, versuchten Acedo und seine Kollegen, ein Modell zu erstellen, das für dieJunoMission während der Perijove – d. h. der Punkt in der Umlaufbahn der Sonde, an dem sie dem Jupiterzentrum am nächsten ist. Wie Acedo erklärte:
„Nach der Ankunft von Juno am Jupiter am 4. Juli“NS, 2016, hatten wir die Idee, unser unabhängiges Orbitalmodell zu entwickeln, um es mit den angepassten Trajektorien zu vergleichen, die vom JPL-Team der NASA berechnet wurden. Schließlich führt Juno sehr nahe Vorbeiflüge am Jupiter durch, da die Höhe über den obersten Wolken (ca. 4000 km) nur einen kleinen Bruchteil des Planetenradius beträgt. Wir haben also erwartet, die Anomalie hier zu finden. Dies wäre eine interessante Ergänzung unseres Wissens über diesen Effekt, da er beweisen würde, dass er nicht nur ein besonderes Problem bei Vorbeiflügen an der Erde ist, sondern universell ist.“
Ihr Modell berücksichtigte die Gezeitenkräfte der Sonne und der größeren Jupiter-Satelliten – Io, Europa, Ganymed und Callisto – sowie die Beiträge der bekannten Zonenharmonischen. Sie erklärten auch die multipolaren Felder des Jupiter, die das Ergebnis der abgeplatteten Planetenform sind, da diese eine weitaus wichtigere Rolle spielen als die Gezeitenkräfte alsJunoerreicht perijov.
Illustration der Juno-Raumsonde der NASA, die ihr Haupttriebwerk abfeuert, um zu verlangsamen und in eine Umlaufbahn um Jupiter zu gelangen. Lockheed Martin baute die Raumsonde Juno für das Jet Propulsion Laboratory der NASA. Bildnachweis: NASA/Lockheed Martin
Am Ende stellten sie fest, dass eine Anomalie auch während derJunoVorbeiflüge des Jupiter. Sie stellten auch eine signifikante radiale Komponente in dieser Anomalie fest, die zerfiel, je weiter sich die Sonde vom Zentrum des Jupiter entfernte. Wie Acebo erklärte:
„Unsere Schlussfolgerung ist, dass eine anomale Beschleunigung auch auf die Juno-Sonde in der Nähe der Perijove wirkt (in diesem Fall ist die asymptotische Geschwindigkeit kein sinnvolles Konzept, da die Flugbahn geschlossen ist).Diese Beschleunigung ist fast hundertmal größer als die typischen anormalen Beschleunigungen, die für die Anomalie bei den Vorbeiflügen an der Erde verantwortlich sind. Dies wurde bereits im Zusammenhang mit der anfänglichen Intuition von Anderson et al. erwartet, dass der Effekt mit der Winkelgeschwindigkeit des Planeten (eine Periode von 9,8 Stunden für Jupiter vs. 24 Stunden der Erde), dem Radius des Planeten und wahrscheinlich seine Masse.“
Sie stellten auch fest, dass diese Anomalie vom Verhältnis zwischen der Radialgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs und der Lichtgeschwindigkeit abhängig zu sein scheint und dass diese sehr schnell abnimmt, wenn sich die Höhe des Raumfahrzeugs über den Jupiterwolken ändert. Diese Probleme wurden von der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht vorhergesagt, daher besteht die Möglichkeit, dass Vorbeifluganomalien das Ergebnis neuartiger Gravitationsphänomene sind – oder vielleicht ein konventionellerer Effekt, der übersehen wurde.
Am Ende stimmte das aus ihren Berechnungen resultierende Modell eng mit den Telemetriedaten derJunoMission, obwohl Fragen bleiben. „Weitere Forschung ist notwendig, da das Muster der Anomalie sehr komplex erscheint und eine einzelne Umlaufbahn (oder eine Abfolge ähnlicher Umlaufbahnen wie im Fall von Juno) nicht das gesamte Feld abbilden kann“, sagte Acebo. „Eine spezielle Mission ist erforderlich, aber finanzielle Kürzungen und ein begrenztes Interesse an experimenteller Schwerkraft könnten uns daran hindern, diese Mission in naher Zukunft zu sehen.“
Es ist ein Beweis für die Komplexität der Physik, dass wir selbst nach sechzig Jahren Weltraumforschung – und hundert Jahren seit der ersten Vorstellung der Allgemeinen Relativitätstheorie – unsere Modelle immer noch verfeinern. Vielleicht werden wir eines Tages feststellen, dass es keine Geheimnisse mehr zu lösen gibt, und das Universum wird für uns vollkommen Sinn ergeben. Was wird das für ein schrecklicher Tag sein!
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