Zondų „Pioneer“ anomalijos mįslė pagaliau gali būti paaiškinta

Prieš 30 metų NASA mokslininkai pastebėjo, kad du jų paleisti kosminiai zondai „Pioneer 10“ ir „Pioneer 11“, ėmė nežymiai keisti kryptį, tiksliau – lėtėti. Kokia jėga sukėlė tokius pokyčius, mokslininkai tebespėlioja. Tačiau panašu, kad vadinamoji „Pionierių“ anomalija netrukus gali sulaukti pirmųjų svarių paaiškinimų.

Nauju kampu į „Pionierių“ anomaliją sugebėjo pažvelgti Reaktyvinių variklių laboratorijos (Jet Propulsion Laboratory – JPL) Pasadenoje (Kalifornija, JAV) mokslininkas Slava Turyševas ir kanadiečių programuotojas Viktoras Totas (Viktor Toth). Bendra jų publikacija akademinėje periodikoje turėtų pasirodyti per artimiausius mėnesius. Visai gali būti, kad jų išvados gali pagaliau užbaigti jau beveik 1000 mokslinių publikacijų skaičių baigiantį pasiekti „Pionierių“ („Pioneer“) anomalijos paaiškinimo procesą.

Priešistorė

Zondą „Pioneer 10“ NASA paleido 1972-ųjų pavasarį. Po metų į kosmoso platybes buvo išlydėtas ir „Pioneer 11“. Bendra abiejų zondų misija – rinkti informaciją apie tarp Marso ir Jupiterio esantį asteroidų žiedą, taip pat apie didžiąsias dujines planetas (Jupiterį, Saturną) ir jų palydovus.

Praskrieję pro šiuos dangaus kūnus ir Žemėn atsiuntę galybę vertingos informacijos, zondai tęsė savo kelionę, į kosmines platybes nešdami žinutę nežemiškos kilmės protui – vienodas informacines auksu dengtas aliuminio plokšteles su vyro ir moters piktogramomis, atomine vandenilio sandara ir nurodyta vieta galaktikoje, kurioje skrieja mūsų planeta. Šie kosminiai zondai tapo pirmaisiais žmogaus kūriniais, kirtusiais Saulės sistemos riba laikytą Plutono orbitą ir nuskriejusiais į šaltą ir juodą tarpžvaigždinę erdvę, nors vėliau juos aplenkė zondas „Voyager 1“.

Zondų „Pioneer“ gabenamos informacinės auksu dengtas aliuminio plokštelės su vyro ir moters piktogramomis, atomine vandenilio sandara ir nurodyta vieta galaktikoje, kurioje skrieja mūsų planeta ©en.wikipedia.org

JPL laboratorijos mokslininkai registravo „Pionierių“ Doplerio efekto (siunčiamo signalo dažnio pasikeitimas dėl jo judėjimo stebėtojo atžvilgiu) matavimų duomenis. Matuodami kampinį kosminių aparatų greitį, jie abiems zondams nuolat siųsdavo ir priiminėdavo radijo signalus. Doplerio efekto duomenų analizei vadovavo astronomas Džonas Andersonas (John Anderson). Jis su kolegomis mėgino šiuos duomenis pritaikyti tiriant subtilius gravitacijos reiškinius už Saulės sistemos ribų – erdvėje, esančioje toli, toli nuo galingųjų Saulės ir jos planetų gravitacinių laukų. Ši komanda tikrino hipotezę, jog „Pionieriai“ gali svyruoti dėl žemo dažnio bangų, kurias generuoja gravitacija.

Kad aptiktų tokius zondų judėjimo trajektorijos svyravimus, mokslininkai turėjo tiksliai žinoti, kaip ji turi atrodyti. O tai reikalavo sukurti įspūdingo sudėtingumo algoritmą. Tarp svarbiausių kintamųjų šiame algoritme atsidūrė šie veiksniai: Pionierių lėtėjimas; gravitacinė Saulės sistemos objektų (Saulės, planetų, mėnulių, asteroidų juostos, kometų debesies) trauka; Pionierių navigacinės pozicijos; nežymus „stumiamasis“ Saulės radiacijos poveikis, kuris silpsta zondams tolstant nuo Saulės; siunčiamų-priimamų radijo signalų laiko intervalai ir t. t. Visus šiuos faktorius Dž. Andersonas sugebėjo sutalpinti į vieną algoritmą.

1980 m. astronomas pastebėjo mažytį nesutapimą tarp pagal algoritmu apskaičiuotų ir realių Doplerio efekto pokyčių. Prognozuotos ir tikrosios zondų trajektorijos nesutapo. Kadangi kosminiai aparatai tolo nuo Saulės ir planetų, kurios pasižymi gravitacine trauka, aparatų greitis, žinoma, šiek tiek lėtėjo, nes aparatai variklių pagalba greitėjo tik misijos pradžioje. Tačiau paaiškėjo, kad zondai lėtėja šiek tiek labiau, nei buvo apskaičiuota. Nuo planuoto kelionės grafiko, kuris sudarytas pagal sudėtingąjį Dž. Andersono algoritmą, „Pionieriai“ kasmet atsilikdavo po kelis šimtus kilometrų.

Kosminiais mastais tai – menkniekis, tačiau jis nėra nereikšmingas. Matavimais buvo nustatyta, kad „Pioneer 10“ ir „Pioneer 11“ zondus veikia nežinomos kilmės jėga, suteikianti jiems pagreitį (а = 8,74 ± 1,33)•10^-10 m/s²) Saulės kryptimi. Ši jėga yra milijardus kartų silpnesnė už jėgą, sukuriančią gravitacinį pagreitį Saulės link. Vis tik, paslaptingoji jėga darė poveikį zondų trajektorijoms.

Kas galėjo būti ne taip?

Pirmoji Dž. Andersono reakcija – kažkas pražiopsota kuriant algoritmą. Kažkokia menkutė jėga, ko gero, liko neįtraukta į super sudėtingą matematinę lygtį. Po kelerius metus trukusių skaičiavimų mokslininkai priėjo išvadą, jog lėtėjimo anomaliją galėjo sukelti „išmetamųjų dujų šleifas“ (angl. k. – „outgasing“): pro išmetamąsias variklio tūtas išmetama plazma, generuojanti į atatranką panašią jėgą.

Mokslininkai manė, kad anomalija dings tada, kai tarpžvaigždinę erdvę skrodžiantis kosminis zondas išjungs variklius ir toliau skries nebegreitėdamas. Tačiau taip nenutiko – kosminiai aparatai ir toliau „atsilikinėjo“ nuo kelionės grafiko.

1994 m. Dž. Andersonas sulaukė trumpo elektroninio laiško nuo Maiklo Martino Nieto (Michael Martin Nieto), Los Alamos nacionalinės laboratorijos (Santa Fė, Nju Meksikas, JAV) kosmologo. M. M. Nieto susidomėjo Niutono atvirkščiojo kvadrato dėsnio (angl. k. – „inverse square law“) alternatyvomis, taip pat modifikuota Niutono dinamikos teorija (angl. k. – „modified Newton dynamics – MOND“). M. M. Nieto nusprendė NASA ekspertų pasiteirauti, ar jie atsižvelgė į tai, kaip stipriai gravitacijos jėga galėjo paveikti zondų trajektorijas.

Kai M. M. Nieto išvydo tikslią „Pionierių“ anomalijos įvertį, jis kone išvirto iš savo kėdės – mokslininkas pastebėjo neįtikėtiną kosminių aplinkybių sutapimą! Pasirodo, „Pionierių“ anomalijos įvertis beveik tiksliai sutampa su taip vadinamu „kosminiu greitėjimu“, t. y., šviesos greičio c ir Hablo konstantos H sandauga. Ši detalė bylojo, kad „Pionierių“ anomalijos paaiškinimas glūdi pačiuose fizikos pamatuose.

M. M. Nieto nieko nelaukdamas pasirašė bendradarbiavimo sutartį su Dž. Andersonu ir JPL bei tapo „Pionierių“ anomalijos tyrimo grupės vadovu. Kodėl? „Nes „Pionierių“ anomalija galėtų būti pirmasis požymis to, jog gravitaciją iškreipia priklausomybė nuo atvirkščiojo kvadrato dėsnio. Tai būtų tiesiog kolosalu!“ -– tada savo entuziazmą grindė M. M. Nieto.

Netrukus prie minėtų dviejų ekspertų prisidėjo darbuotis į JPL iš Maskvos atvykęs S. Turyševas. Kartu su dar trimis mokslininkais, jie ėmėsi detalaus visų Doplerio efekto duomenų tyrimo. Tuo pat metu jie sutikrino kitų misijų duomenis. Ir rado preliminarių požymių, jog zondus „Ulysas“ („Ulysses“) ir „Galilėjus“ („Galileo“) kamuoja panašaus pobūdžio anomalija. (Beje, reikia nepamiršti, kad tik šie du zondai ir „Pionieriai“ skrieja laisvai, jų trajektorijos nebekoreguojamos varikliais. Visų kitų NASA zondų padėtys erdvėje yra koreguojamos manevruojant varikliais – šie manevrai ir eliminuoja visus nukrypimus nuo trajektorijos). Šiuos atradimus mokslininkai paskelbė 1998 m. žurnale „Physical Review Letters“.

Jų publikacija fizikos pasaulyje sukėlė tikrą sąmyšį. „1998-ieji buvo labai įdomūs metai, – prisimena S. Turyševas. – Nes kaip tik tuo metu, kai pastebėjome „Pionierių“ anomaliją, buvo atrasta ir tamsioji energija. Paprasčiau tariant, mes įsivaizdavome, kad visata greitėja (plečiasi vis didesniu greičiu) dėl tamsiosios energijos. Visus apėmė ekstazė. „Tik pažiūrėkite! Kažką labai įdomaus mes matome ir Saulės sistemoje! Gal mums reikia modifikuoti gravitacijos teoriją ir Niutonas su Einšteinu bus nuversti nuo fizikos sosto?“

Išėjo taip, kad menkučiai kosminių aparatų trajektorijos pokyčiai fizikoje sukėlė didžiulį subruzdimą. Ir ne pirmą sykį fizikos istorijoje. 1915 m. Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją įrodyti padėjo garsiosios „anomalios“ Merkurijaus precesijos sukelti minimalūs šios planetos perihelio nuokrypiai. Panašių analogijų 1998 m. visi ėmė ieškoti „Pionierių“ anomalijoje. Kartu buvo tikimasi pripažinti daugelį hipotetinių teorijų, viena kurių – jau minėta modifikuota Niutono dinamikos teorija MOND, kurioje postuluojama, jog gravitacija nesusijusi su atvirkščiojo kvadrato dėsniu, kai objektas nuo masyvaus kūno yra nutolęs itin dideliu atstumu. Šimtuose publikacijų nuo 1998 m. buvo tvirtinama, kad MOND teorijos postulatai gali paaiškinti „Pionierių“ anomalijos esmę.

Netrukus pasirodė ir šimtai naujų hipotetinių modelių apie kolosalius kiekius dar neaptiktos „tamsiosios materijos“, kuria smelkte persismelkusios visos galaktikos, ir kad hipotetinė tamsioji medžiaga, ko gero, ir bus iškraipiusi „Pionierių“ trajektorijas.

Saulės sistemą palikęs kosminis zondas „Pioneer 10“ skrieja Jaučio žvaigždyno, o jo „broliukas“ „Pioneer 11“ – Erelio žvaigždyno link.
©nasa.gov

Dar po ketverių metų po to momento, kai M. M. Nieto vos neišgriuvo iš kėdės, jo iškelta hipotetine koncepcija „užsikrėtė“ naujos fizikų ordos. Vienu metu atradus tamsiąją energiją ir spartėjantį visatos plėtimąsi, daugeliui atrodė akivaizdu, kad šie naujai atrasti reiškiniai neabejotinai bus susiję su „Pionierių“ anomalija, nes jos koeficientas buvo lygus kosminio greitėjimo koeficientui. „O ką, jeigu NASA metų metus matavo kosminės erdvės plėtimąsi?“ – manė tada mokslininkai.

Tačiau konservatyvesni fizikai baksnojo į vieną sąlygą: jei kosminių aparatų anomaliją iššaukė tamsioji energija ar MOND teorija, tas pats turėjo nutikti ir išorinėms Saulės sistemos planetoms. O juk nieko panašaus nebuvo pastebėta. Jų nuomone, „Pionierių“ anomalija nė neegzistavo – JPL mokslininkai paprasčiausiai klaidingai įvertino Doplerio pokyčių duomenis. O jei ir egzistavo, tai atsirado iš akivaizdžių pasenusios įrangos netikslumų. Tad kalčiausias čia galėjo būti iš kosminių aparatų sklidęs šiluminis spinduliavimas.

Šiluminė anomalija?

„Pionierių“ generatoriuose esantis plutonis, pasiekęs galingumo piką, galėdavo išskirti po 2,5 tūkst. J/s šiluminės energijos. Dalis šios energijos buvo paversta elektra, kuria buvo „maitinami“ elektroniniai zondo prietaisai. O likusi išsiskyrusios šilumos dalis buvo paprasčiausiai išspinduliuota į kosmosą. Jei dėl kažkokių mechaninių priežasčių šiluma buvo išspinduliuojama netolygiai, toks papildomas šilumos išspinduliavimas kuria nors viena kryptimi galėjo generuoti nesubalansuotą atatrankos jėgą, kuri ir galėjo lemti kosminių aparatų lėtėjimą. Iš esmės, fizikų bendruomenė netruko išsiaiškinti, jog nesubalansuotai atatrankos jėgai sukelti pakanka šiluminio spinduliavimo kiekį viena kryptimi viršyti vos 5 proc. O pakankamai didelis šiluminis spinduliavimas galėtų sukelti ir „Pionierių“ anomaliją.

Deramai įvertinusi šią idėją, JPL komanda kelerius metus praleido tirdama su šiluminiu spinduliavimu galimai susijusius požymius. Tyrimo išvadą JPL paskelbė 2002 m.: „Šiluma čia niekuo dėta. Pirmiausiai dėl to, kad generatoriuose buvęs plutonis skilo, o generatorių išskiriama šiluma mažėjo. Ir jei anomalijos priežastis yra šiluma, tai ir „Pionierių“ lėtėjimas bėgant laikui turėjo silpti, nykti. Tačiau taip nenutiko. Lėtėjimas išliko pastovus.“

Nuo planuoto kelionės grafiko „Pionieriai“ kasmet atsilikdavo po kelis šimtus kilometrų
©wired.com

Antra, generatoriai buvo sumontuoti gana toli nuo aparato korpuso – ilgų ašių galuose. Mokslininkai paskaičiavo, kad, esant tokiam tolimam atstumui, zondo korpusą pasiektų labai nedidelė šiluminės spinduliuotės porcija. Tad ir atatrankos jėga būtų visai nedidelė. Tiksliau – per maža, kad sukeltų „Pionierių“ anomaliją.

Trečia ir ketvirta, panašios anomalijos ištiko ir „Ulisą“ ir „Galilėjų“, nors šie zondai aprūpinti visai kitokiais galios agregatais.

Fizikų ordas šie argumentai įtikino, ir jie vėl ėmė įnirtingai kautis dėl „reliatyviojo“ Einšteino ir jo „nereliatyvaus“ pirmtako Niutono sostų. Fizikų konferencijose ir kongresuose iš tribūnų pasipylė galybė teorijų, pavyzdžiui: „Anomalija iš tikrųjų atspindi paties laiko kosminį greitėjimą!“ arba „Anomalija byloja, jog Rimano geometrija (angl. k. – „Riemannian geometry“), ant kurios „stūkso“ visas Einšteino erdvėlaikis, yra neišbaigta!“, arba „Atradome naują jėgą!“, arba „Saulės sistema plečiasi!“, arba „Saulės sistema tėra holograma!“, arba „Kosminius zondus baksnoja stygų teorijos išmatavimai!“ Šis idėjų miškas, V. Toto pavadintas laukinėmis spekuliacijomis, veši iki šiol.

Nusileiskime ant žemės

V. Toto hobiai – klasikiniai kompiuteriniai žaidimai, neišspręsti matematikos ir fizikos uždaviniai, duomenų apdorojimas, kosmosas už Saulės sistemos ribų, senoviška elektroninė įranga. Mėginimai paaiškinti „Pionierių“ anomaliją primena Veno diagramos centre esantį bendrą persidengiančių figūrų plotą. Būdamas skeptiku iš prigimties, V. Totas ėmėsi nepriklausomos viešai prieinamų „Pionierių“ Doplerio efekto duomenų analizės. Ją atliko asmeniniu kompiuteriu namuose.

Pirmiausiai jis siekė įsitikinti, ar anomalija iš tiesų egzistuoja. (Sprendžiant iš kolegų atsiliepimų, V.Totas fenomenaliai apdoroja duomenų masyvus ir bet kuriam, su juo susidūrusiajam, atrodo įtarus. „Prieš tai reikia atlikti daug... pavadinkim tai „namų darbais“ – sako V. Totas). Sukūręs savo algoritmą ir per jį „perleidęs“ „Pionierių“ duomenis, jis dar kartą įsitikino, kad anomalija iš tiesų egzistuoja.

Jis buvo įsitikinęs, kad 2002 m. Dž. Andersono ir jo komandos tyrimas apie šiluminį spinduliavimą nebuvo išbaigtas. „Man didžiulės motyvacijos imtis šio uždavinio suteikė faktas, kad jie taip ir neatliko deramos, išsamios šiluminės kosminio zondo „Pioneer“ analizės, – tvirtina V. Totas. – Na, aš ir nusprendžiau čia pasikapstyti.“

Ieškodamas išsamesnių šiluminio spinduliavimo duomenų, V. Totas kreipėsi į S. Turyševą. Vėliau tuos duomenis reikėjo konvertuoti į modernioms statistinėms programoms priimtiną pavidalą. Mokslininkai sutarė analizuoti ne tik Doplerio efekto duomenis, bet ir kosminio aparato telemetrijos duomenis, kurią kaupė 114 jutiklių ir kurie Žemėn buvo perduoti radijo ryšiu. Svarbiausia yra tai, kad telemetrijos duomenyse buvo visa informacija apie zondo temperatūrą bet kuriuo misijos momentu.

2005 m., kai S. Turyševas ir V. Totas ėmėsi naujos duomenų analizės, Eims tyrimų centro pastate (Ames Research Center), kuriame ruošėsi dirbti, jie rado didžiulį kiekį konteinerių, kuriuose buvo daugiau kaip 30 metų kaupti duomenys apie „Pionierių“ Doplerio efektą ir registracijos žurnalai. Beje, po poros savaičių visus juos būtų sunaikinę kaip nebereikalingus. Finansavimas duomenų archyvavimui tada buvo apverktinas. Vis tik mokslo vyrai padarė viską, kad duomenų archyvavimui būtų skirta bent truputis lėšų.

O štai didžiosios dalis telemetrijos duomenų Eims tyrimų centre rasti nepavyko. Laimei, į pensiją išėjęs „Pioneer“ misijos kontrolės inžinierius Laris Kelogas (Larry Kellogg) juos buvo išsaugojęs, tikėdamasis, kad vieną dieną tie duomenys pravers kuriant kompiuterines „Pioneer“ misijų simuliacijas. Duomenis jis įsirašė į asmeninį nešiojamąjį kompiuterį prieš pat palikdamas darbovietę.

Per penkerius metus du mokslininkai sukūrė išbaigtą trimatį kiekvieno zondo „Pioneer“ šiluminį modelį. Modeliai buvo nepaprastai išsamūs. Išanalizavę telemetrijos duomenis, tyrimo autoriai priėjo išvadą, jog vis tik dalį „Pionierių“ lėtėjimo nulėmė ir šiluminės atatrankos jėga. Tiesa, jos įtaka silpstant plutonio generatoriams, mažėjo. O juk buvo tikima, kad zondų lėtėjimas yra pastovus.

Tiesa, Doplerio efekto duomenų analizė dar nėra baigta. Daugkartinis šių duomenų konvertavimas rimtai pažeidė Doplerio duomenų failus, tad vien juos „perskaityti“ užtruko keletą metų. Papildomai laiko buvo sugaišta ir įvertinant tokį veiksnį, kaip mūsų planetos žemės drebėjimai, kurie galėjo nureguliuoti Žemės imtuvų antenų pozicijas. Doplerio efekto duomenų analizė pradėta prieš metus, o abu mokslininkai jos ataskaitą tikisi pateikti per artimiausius šešis mėnesius.

„Stabilus zondų lėtėjimas – vis dar validi hipotezė, – tvirtina analizę atliekantys ekspertai. – Tačiau tam tikras, labai nežymus lėtėjimo nykimas vis tik yra. Beje, lėtėjimo kryptis gali būti nebūtinai į Saulę. Tai leidžia spėti, jog esminė lėtėjimo priežastis – nebūtinai Saulės sistemos kūnų gravitacija. Tačiau kol kas visa tai – tik spėlionės, prielaidos. Tikslingiau būtų sulaukti mūsų atliekamos analizės pabaigos. Ypač, kai taip jautriai į bet kokią informaciją apie „Pionierių“ anomaliją reaguoja gausi šia problema besidominčių fizikų bendruomenė.“

„Ar dėl zondų skriejimo anomalijos kalti patys kosminiai aparatai? Pareiškę tai, galite į save iššaukti kryžminę ugnį, – samprotauja „Pionierių“ telemetrijos duomenis išsaugojęs L.Kelogas. – Todėl Slava ir Viktoras kalba taip atsargiai.“