Bildkredit: NASA
Inom ekologi är en pionjär en "art som etablerar sig i en tidigare karrig miljö". Bland människor är det pionjärer som "bosätter sig i okänt eller osäkrat territorium". Bland astrofiler var Pioneer vår första ansträngning att undersöka solsystemet. Men det verkar som om NASA: s tvåpionjärinsatser nu har gjort mindre framsteg mot stjärnorna än väntat och frågan är "Varför?".
När NASA utformar uppdrag antas antaganden om hantverkets driftsmiljö. Ursprungligen hade NASA några djupa oro över att skicka de två Pioneer-sonderna genom asteroidbältet - trots allt kunde alla de stora förenas av många små!
Samtidigt måste NASA planera en flygväg för att ta fartyget dit det går. Baserat på rutt, uppdrags nyttolast och andra krav måste tillräckligt med drivkraft tillhandahållas för att ge den lyft som behövs. Den stora faktorn som påverkar drivkraften är gravitationen - ju mer du har, desto mer tryckkraft behöver du.
En av de geniala sakerna med Pioneer 10 och 11 var NASA: s val att utrusta paret med tvåvägskommunikationer känsliga för dopplerförändringar. Baserat på frekvensskift kunde NASA bestämma fartygshastigheten relativt mottagningsstationer på jorden. Genom att använda dessa uppgifter kunde NASA anpassa thrusterarna för att finjustera sondbanorna mot sina mål. (Båda båtarna flög av Jupiter medan Pioneer 11 passerade nära Saturn.)
Så länge sonderna hade bränsle, kunde uppdragsansvariga justera hastigheter och bana. Men när bränslen en gång hade gått ut kunde paret bara göra framsteg baserat på tröghet och en slangbult från en gasgigant.
Det var under tröghetsflygning som anomalier började dyka upp i rörelserna för de två båtarna. Dopplerskift visade en oväntad retardation strax utanför Uranus omloppsbana. På cirka 20 jord-solavstånd (astronomiska enheter - AU) började NASA se en "blåskift" i sondöverföringar. Paret fortsatte att "sjunga blues" medan de överträffade Neptuns omlopp 10 AU senare. Idag har proberna fallit under sina förväntade platser på ett större avstånd än jorden till månen ...
Spekulationer om orsaken till det blå skiftet finns i överflöd. Pioneer 10 & 11 själva har länge uteslutits som källan. De flesta tänkande citerar en oväntad ökning av tyngdkraften mot solen. När man sänder signaler tillbaka till jorden "faller" fartygets elektromagnetiska strålar längre in i solsystemets tyngdkraft och den brunnen är på något sätt "brantare" än en gång trott. Idag är paret inte så långt med i sin utgående resa som väntat.
Frågan är: "Vad är källan till den oväntade tyngdförstärkningen som påverkar sonderna?". Ett svar ligger i "mörk materia". Konstigt nog ligger en annan i ”mörk energi” - den motsatta kraften till tyngdkraften i universum. En tredje är inom området "strängteori" (två lokala "branes" - motsvarigheten till lokala n-dimensionella "tektoniska plattor" - kan korsa varandra i vårt system). En teori hänför sig till "back-gravitational pull" (från den motsatta sidan av solsystemet mitt emot varje sond). Det finns också möjligheten att paret har "Solar Quadrupolar Moments" eller bromsas av oväntat material i Kuiper Belt utanför Uranus.
Men när det gäller att sortera förövarna kan vi vanligtvis ta inspektör Louies råd från filmen Casablanca: "Rund upp de vanliga misstänkta."
Båda proberna är nu mer än 70 år borta från solen - men fortfarande inom solsystemets Kuiper Belt. Deras retardationsmönster antyder att källan till avvikelsen är utbredd och konstant. I en artikel av den 15 mars 2005 med titeln "Pioneer anomaly: Gravitational pull på grund av Kuiper-bältet". Jose A. Diego och andra utredare från Institutet för astronomi vid det nationella autonoma universitetet i Mexiko skriver: ”... det finns ingen anledning att åberopa alla de mörka krafterna i universum i början, försök först att förklara detta fenomen med lokala, vardagliga fysik och om detta inte räcker, använd tunga maskiner. ”
Och vardagsfysiken? Varför naturligtvis Kuiper Belt! Men inte exakt samma gamla Kuiper Belt. För Jose et al börjar Kuiper Belt nu några 10AU närmare solen - precis utanför Uranus bana - och har en tjocklek på 1 AU. Lagets Kuiper Belt har vunnit massa till nästan dubbelt så mycket som jordens - lite mindre än tio gånger som ursprungligen föreslogs. Dessutom är massan partisk mot Uranus bana. Ökningen i massa beror på det faktum att ursprungliga uppskattningar av total Kuiper Belt-massa baserades på små partikelstorlekar. Genom att inkludera is av större storlek - tillsammans med gaser i sin sammansättning, anser gruppen att tillräckligt med massa kan redovisas för att förklara varför sondorna bromsade ner och bärarsignalerna skiftades.
Teamet fortsätter med att säga: "... det är viktigt att påpeka att bältet också skulle påverka Neptuns omlopp ...". Effektivt varje ökning av massan inom Kuiper Belt skulle orsaka Neptunus att spiral i lite närmare solen. Teamet uppskattar att planetens masscentrum skulle förskjutas 1,62 kilometer med varje full revolution på 164,8 terran år.
"Den radiella täthetsfördelningen av massan som behövs för att förklara den ständiga accelerationen mot solen mätt av Pioneer-rymdhantverket kan förklaras med modeller av solsystembildning." skriver laget. För att förklara den större koncentrationen av massa runt Uranus 'bana fortsätter de med att beskriva "en inåttransport av material" mot Uranus bana över tid.
En annan potentiell källa till oväntad avmattning är att dra på farkosten orsakad av en stadig ström av partiklar i bältet. I det här scenariot skulle Kuiper-bältet också ha mer materia än vad som ursprungligen trott men det materialet skulle fördelas jämnt (för att redovisa den ständiga förlusten som ses i varje sondens fart).
Oavsett den ultimata källan till sondens retardation finns det ingen rädsla för att paret - liksom de tre tidigaste föregångarna - kommer att vända kursen och brinna upp i någon atmosfär nära oss. Dessa två pionjärer är fortfarande avsedda att "bosätta sig i okänt eller okrävet territorium" som mänsklighetens första utsändare till stjärnorna.
Skrivet av Jeff Barbour
