The Pioneer Anomaly

Σήμερα το πρωί ανέβηκε στο Living Reviews in Relativity ένα καινούριο review με θέμα, The Pioneer Anomaly, από τους Slava G. Turyshev και Viktor T. Toth.

Τι είναι όμως το Pioneer Anomaly;
Καταρχήν, τα διαστημόπλοια Pioneer 10 και 11 είναι δύο διαστημόπλοια που είχαν σταλεί για να μελετήσουν τους εξωτερικούς πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος (πέρα δηλαδή από την ζώνη των αστεροειδών που βρίσκεται μετά τον Άρη).

To Pioneer 10 μας έδωσε τις πρώτες κοντινές φωτογραφίες του Δία ενώ το Pioneer 11 μας έδωσε αντίστοιχα τις πρώτες κοντινές φωτογραφίας του Κρόνου (αν δεν κάνω λάθος).

Και τα δύο αυτή τη στιγμή βρίσκονται σε πορεία διαφυγής από το ηλιακό μας σύστημα κάπου 100 αστρονομικές μονάδες από τον Ήλιο. Για την ακρίβεια, το Pioneer 11 πρέπει να είναι λίγο πιο κοντά. Το Pioneer 10 έχασε την επαφή του με τη Γη το 2006, ενώ το Pioneer 11 την είχε χάσει από το 1995, σχεδόν 10 χρόνια νωρίτερα.

Τα δύο διαστημόπλοια, όσο διατηρούσαν την επαφή τους με την Γη, έστελναν δεδομένα για την κατάστασή τους και για το περιβάλλον που συναντούσαν, ενώ γινόταν προσπάθεια να παρακολουθείται η ακριβής θέση τους.

Από την ανάλυση των δεδομένων για την παρακολούθηση της θέσης των διαστημοπλοίων, προέκυψε αυτό που λέμε Pioneer Anomaly. Η θέση του κάθε διαστημοπλοίου προσδιορίζεται με την βοήθεια του Deep Space Network (DSN), το οποίο είναι ένα σύστημα από ραδιοτηλεσκόπια στη Γη, που παρακολουθούν όλα τα διαστημόπλοια που κυκλοφορούν στο ηλιακό μας σύστημα. Χονδρικά, το DSN ανταλλάσσει ραδιοσήματα με τα διαστημόπλοια, με την βοήθεια των οποίων προσδιορίζει την θέση τους στην ουράνια σφαίρα. Από τον χρόνο που κάνει ένα σήμα για να φτάσει από το διαστημόπλοιο στη Γη, μπορεί να υπολογιστεί η απόσταση, ενώ από τις μεταβολές στην γωνιακή θέση μπορούν να υπολογιστούν στοιχεία όπως η ταχύτητα κάθετα στην διεύθυνση παρατήρησης. Τέλος από την μετατόπιση Doppler των συχνοτήτων των σημάτων, μπορεί να υπολογίσει κανείς την ακτινική ταχύτητα.(Update***)

Αυτό που παρατηρήθηκε στα δεδομένα από τα Pioneer 10 και 11, αν αφαιρέσει κανείς όλα τα άλλα φαινόμενα, ήταν ότι υπήρχε μια μετατόπιση Doppler προς μικρότερα μήκη κύματος, η οποία μεταβαλλόταν με σταθερό ρυθμό και θα μπορούσε να υποδηλώνει μία σταθερή επιτάχυνση των διαστημοπλοίων προς τον Ήλιο. Η επιτάχυνση αυτή υπολογίστηκε να είναι της τάξης του $$\reverse\opaque \alpha_p=8\times 10^{-10}m/s^2$$.

Οι πρώτοι αυτοί υπολογισμοί γίνανε για το Pioneer 10 με δεδομένα από το 1987 ως το 1998 και αφορούσαν αποστάσεις από 40 αστρονομικές μονάδες από τον Ήλιο μέχρι 70 αστρονομικές μονάδες από τον Ήλιο, ενώ για το Pioneer 11 τα δεδομένα ήταν από το 1987 ως το 1990 και αποστάσεις από 22 αστρονομικές μονάδες ως 32 αστρονομικές μονάδες περίπου. Η μία αστρονομική μονάδα είναι απόσταση ίση με την απόσταση Γης - Ήλιου, ο Κρόνος βρίσκεται περίπου στις 10 αστρονομικές μονάδες, ενώ η αρχή της ηλιόπαυσης βρίσκεται περίπου στις 100 αστρονομικές μονάδες.

Φυσικά αυτό το αποτέλεσμα, μια απροσδιόριστης φύσεως επιτάχυνση προς τον Ήλιο, δημιούργησε τεράστιο ενδιαφέρον για το Pioneer Anomaly.

Μια πρώτη ανάλυση του προβλήματος μπορεί να βρει κανείς στο άρθρο Study of the anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11 (arXiv:gr-qc/0104064v5) των Anderson et al., ενώ υπάρχει και μία παιδαγωγική παρουσίαση του όλου προβλήματος και των φαινομένων που πρέπει να πάρει κανείς υπόψιν του, σε ένα άρθρο στο American Journal of Physics με τίτλο, Study of the Pioneer anomaly: A problem set (arXiv:physics/0502123v5 [physics.ed-ph]).

Το τελευταίο αυτό review στο Living Reviews παρουσιάζει όλο το ιστορικό της υπόθεσης της ανάλυσης των δεδομένων και τα σχετικά στοιχεία για τα Pioneer, τις διάφορες προτάσεις που έχουν διατυπωθεί για να εξηγηθεί το φαινόμενο και τα συμπεράσματα που έχουν προκύψει, καθώς και τις προοπτικές που υπάρχουν για μία αποστολή που θα έχει ως αποκλειστικό στόχο να διερευνήσει την φύση του φαινομένου.

Σχετικά με την διαστημική αποστολή, σύμφωνα με το review:

The apparent inability to explain the anomalous behavior of the Pioneers with conventional physics has contributed to growing discussion about its origin. A number of researchers emphasized the need for a new experiment to explore the detected signal. As a result, advocated for a program to study the Pioneer anomaly. This program effectively includes three phases:

i) Analysis of the entire set of existing Pioneer data, obtained from launch to the last useful data received from Pioneer 10 in April 2002. This data provides critical new information about the anomaly. If the anomaly is confirmed,

ii) Development of an instrument, to be carried on another deep space mission, to provide an independent confirmation for the anomaly. If further confirmed,

iii) Development of a dedicated deep-space experiment to explore the Pioneer anomaly with an accuracy for acceleration resolution at the level of 10^–12 m/s^2 in the extremely low frequency (or nearly DC) range.

Significant progress was accomplished concerning the first and second phases. Work on the third phase was also initiated. Mission studies conducted in 2004 – 2005 have identified two options: i) an experiment on a major mission to deep space capable of reaching acceleration sensitivity similar to that demonstrated by the Pioneers and ii) a dedicated mission to explore the Pioneer anomaly that offers full characterization of the anomaly.

Σύμφωνα με τα παραπάνω, φαίνεται πως όλοι συμφωνούν ότι το φαινόμενο μάλλον*** είναι πραγματικό και αξίζει να διερευνηθεί με κάποια εξειδικευμένη αποστολή, αφού μία από τις λύσεις του προβλήματος στις οποίες θα μπορούσαμε να οδηγηθούμε είναι η διατύπωση νέας Φυσικής. Εδώ πρέπει να πούμε ότι δεν είναι μόνο τα Pioneer που παρουσιάζουν αυτή την επιτάχυνση. Αντίστοιχη επιτάχυνση έχει παρατηρηθεί και στα διαστημόπλοια Galileo και Ulysses, αλλά τα δεδομένα δεν είναι τόσο καλά όσο για τα Pioneer. Το σίγουρο είναι ότι η ανάλυση όλου του πακέτου των δεδομένων από τα Pioneer θα δώσει περισσότερα στοιχεία για κάποια περίεργα χαρακτηριστικά του φαινομένου, όπως για παράδειγμα το γεγονός ότι φαίνεται να ξεκινά απότομα για το Pioneer 11 μετά την διέλευσή του από τον Κρόνο.

Τέλος, υπάρχουν και κάποια από τα στοιχεία του φαινομένου που παρουσιάζουν ενδιαφέρον και αξίζει να τα αναφέρουμε σύντομα.

Το πρώτο έχει να κάνει με την αριθμητική "σύμπτωση" της τιμής της επιτάχυνσης των Pioneer με την "κοσμολογική επιτάχυνση" $$\reverse\opaque cH_0$$ όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός και Ho η σταθερά του Hubble (με μονάδες αντίστροφου χρόνου, άρα όλο μαζί μας κάνει επιτάχυνση). Αυτή η σχεδόν σύμπτωση κίνησε το ενδιαφέρον αρκετών ερευνητών που έψαξαν για κοσμολογική αιτία στο φαινόμενο, μόνο που υπάρχει ένα πρόβλημα. Η επιτάχυνση των Pioneer είναι προς τον Ήλιο, ενώ αν οφειλόταν στην διαστολή του σύμπαντος για παράδειγμα, θα έπρεπε να έχει αντίθετη φορά. Φυσικά, δεν χρειάζεται να το πάρει κανείς τόσο κυριολεκτικά το θέμα. Πάντως έχει γίνει πολύ δουλειά στην κατεύθυνση της αναζήτησης για αιτία κοσμολογικής φύσης που φαίνεται να αποκλείει αυτό το ενδεχόμενο. Από την όλη υπόθεση πάντως βγήκαν κάποια ενδιαφέροντα συμπεράσματα σχετικά με την συμπεριφορά των δέσμιων συστημάτων που βρίσκονται σε ένα διαστελλόμενο Σύμπαν.

Το δεύτερο έχει να κάνει και πάλι με μία αριθμητική σύμπτωση. Η αριθμητική σύμπτωση του Pioneer Anomaly με την βαρυτική επιτάχυνση του Γαλαξία μας που είναι περίπου $$\reverse\opaque \alpha_G=9\times 10^{-10}m/s^2$$. Προφανώς αυτή η σύμπτωση είναι ακόμα πιο θεαματική, αλλά δεν έχει κανένα νόημα. Οι μετρήσεις στα Pioneer γίνονται στο σύστημα του Ήλιου, το οποίο όμως και αυτό πέφτει στο βαρυτικό πεδίο του Γαλαξία και άρα από την αρχή της ισοδυναμίας ξέρουμε ότι αυτό το σύστημα είναι τοπικά αδρανειακό και συμπεριφέρεται σαν να μην υπάρχει κανένα πεδίο βαρύτητας. Είναι ακριβώς όπως ο αστροναύτης μέσα σε ένα διαστημόπλοιο που "πέφτει" σε τροχιά γύρω από τη Γη βρίσκεται σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας και δεν καταλαβαίνει την βαρύτητα της Γης. Οι μόνες δυνάμεις που θα μπορούσαν να γίνουν αισθητές είναι οι παλιρροϊκές δυνάμεις του Γαλαξία. Επειδή όμως οι δυνάμεις αυτές είναι ανάλογες τις απόστασης των Pioneer από τον ήλιο και αντιστρόφως ανάλογες του κύβου της απόστασης του ηλιακού συστήματος από το κέντρο του Γαλαξία, η επιτάχυνση που προκύπτει θα είναι ίση με την παραπάνω τιμή πολλαπλασιασμένη με τον παράγοντα (απόσταση Pioneer από Ήλιο)/(απόσταση Ήλιου από κέντρο Γαλαξία) που είναι κάτι της τάξης του 10^-7.

Όπως καταλαβαίνει κανείς, οι παραπάνω "ενδιαφέρουσες" συμπτώσεις είναι παραπλανητικές και αυτό είναι ένα καλό ηθικό δίδαγμα.

Θα κλείσω, απλά παραθέτοντας τις κατευθύνσεις που έχει πάρει η αναζήτηση της πιθανής αιτίας του φαινομένου, έτσι ενδεικτικά της περιπλοκότητας που υπάρχει, όπως παρουσιάζονται στο review.

1 Unmodeled forces external to the spacecraft
1.1 Gravitational forces due to unknown mass distributions and the Kuiper belt
1.2 Drag forces due to interplanetary dust
2 Possibility for new physics? Modified gravity theories
2.1 Dark matter
2.2 Modified Newtonian Dynamics (MOND)
2.3 Large distance modifications of Newton’s potential
2.4 Scalar-tensor extensions of general relativity
2.5 Scalar-tensor-vector modified gravity theory (MOG)
3 Cosmologically-motivated mechanisms
3.1 Cosmological constant as the origin of the Pioneer anomaly
3.2 The effect of cosmological expansion on local systems
3.3 The cosmological effects on planetary orbits
3.4 Gravitationally bound systems in an expanding universe
3.5 Dark-energy-inspired gravity models
4 Effects on the radio signal
4.1 Helicity-rotation coupling
4.2 Clock acceleration
4.3 Cosmological effects on radio signals
5 Unmodeled forces of on-board origin
5.1 Thermal recoil forces
5.2 Propulsive gas maneuvers

***Φυσικά υπάρχουν ακόμα κάποια ανοιχτά ζητήματα, για τα οποία παραπέμπω στο review.

------------------------------------------------------------
***Update: Υπάρχει κάτι σχετικά με τον προσδιορισμό της θέσης ενός διαστημοπλοίου που θέλω να συμπληρώσω, γιατί νομίζω ότι έχει πολύ ενδιαφέρον. Με την βοήθεια του Doppler, μπορεί κανείς να υπολογίσει την ακτινική ταχύτητα, δηλαδή την ταχύτητα στην διεύθυνση παρατήρησης, του διαστημοπλοίου. Μπορεί όμως εκτός από αυτό, να υπολογίσει και την θέση του διαστημοπλοίου στην ουράνια σφαίρα (τις συντεταγμένες του στον ουρανό) εξαιτίας της περιστροφής της Γης, η οποία εισάγει μία διαμόρφωση στο παρατηρούμενο Doppler της οποίας η φάση εξαρτάται από την μία συντεταγμένη και το πλάτος από την άλλη (ουσιαστικά η θέση πάνω στην ουράνια σφαίρα δίνεται από δύο γωνίες, όπως ακριβώς και η θέση πάνω στην επιφάνεια της Γης). Το αποτέλεσμα είναι ότι τελικά ακόμα και με μοναδικό δεδομένο το παρατηρούμενο Doppler στο σήμα του διαστημοπλοίου, μπορεί κανείς να προσδιορίσει την θέση του. Φυσικά για τον προσδιορισμό της ακριβούς θέσης, χρησιμοποιεί κανείς και τα δεδομένα της προηγούμενης θέσης του διαστημοπλοίου και την τροχιακή δυναμική, με την βοήθεια των οποίων κάνει εκτιμήσεις, τις οποίες μετά διορθώνει από τις παρατηρήσεις κ.ο.κ. Αυτή η τεχνική ακριβώς χρησιμοποιήθηκε στα Pioneer. Φυσικά αν υπάρχει η δυνατότητα του προσδιορισμού της απόστασης ενός διαστημοπλοίου από την μέτρηση του χρόνου που κάνει το όποιο σήμα να πάει και να έρθει ανάμεσα στο σταθμό και το διαστημόπλοιο, ακόμα καλύτερα, αλλά αυτή η δυνατότητα δεν υπήρχε στα Pioneer.