«Разведчики внешних планет»: история «Пионеров» и «Вояджеров»

В 1970-х США отправили в космос четыре автоматические станции, предназначенные для исследования дальних планет: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Именно эти аппараты — два «Пионера» и два «Вояджера» — открыли для нас внешние планеты Солнечной системы, впервые передав их снимки, а также собрав другие ценные данные. В книге «Разведчики внешних планет: Путешествие "Пионеров" и "Вояджеров" от Земли до Нептуна и далее» (издательство «Альпина нон-фикшн») обозреватель журнала «Новости космонавтики» Игорь Лисов рассказывает о том, как готовился их полет, что происходило в ходе миссии и какую информацию о планетах нам удалось получить. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, посвященным загадке аномального торможения «Пионеров».

Эффект «Пионеров»

Впрочем, землянам две эти станции («Пионер-10» и «Пионер-11» — прим. N + 1) тоже подкинули интереснейшую загадку.

Регистрация радиосигнала «Пионеров» в когерентном режиме позволяла точно определить доплеровский сдвиг частоты и вычислить взаимную скорость передатчика на борту и приемника на Земле. Доступная точность измерений была столь высока, а негравитационные силы столь ничтожны, что можно было надеяться на серьезные открытия. Даже очень далекое сближение с гипотетической десятой планетой или с «темной звездой» — невидимым двойником Солнца — изменило бы траекторию и скорость КА.

А в существовании таких тел тогда мало кто сомневался, особенно после того, как Джеймс Кристи и Роберт Харрингтон открыли в 1978 г. спутник Плутона Харон. Как только был определен период его обращения, стало ясно, что Плутон намного легче, чем считалось до этого. Вместе с Хароном он тянул лишь на 20 процентов земной Луны и никак не мог нести ответственность за отклонения в движении Урана и Нептуна, по которым его искали за полвека до этого. Их должен был вызывать какой-то другой, еще не открытый тяжелый объект.

17 июня 1982 г. научная группа небесной механики во главе с Джоном Андерсоном озвучила соответствующие планы публично, причем в утвердительной форме: «Пионеры» могут найти десятую планету! Ученые объясняли, что настоящую планету где-нибудь на дальности 80 а. е. от Солнца два аппарата, движущиеся в противоположных направлениях, будут ощущать по-разному. В то же время невидимый далекий компаньон Солнца, будь это белый карлик или черная дыра, оказывал бы на два КА практически одинаковое влияние. Нескольких лет наблюдений за «Пионерами» должно было хватить для убедительных выводов.

К моменту ухода «Пионера-10» за Нептун к этой первой добавили еще одну серьезную задачу — попытку регистрации гравитационных волн. Этим красивым термином физики называют возмущения пространства-времени, связанные со столкновениями больших масс — таких как черные дыры — и выделением огромной энергии. Длины таких волн оценивались в 1–3 млрд км, и «Пионеры» как раз удалились от Солнца на расстояния, сравнимые с длиной волны.

Оговорка о негравитационных силах была сделана неспроста. Гравитационное влияние всех существенных известных тел Солнечной системы закладывалось в расчеты. Прочие силы как внутреннего, так и внешнего происхождения можно было оценить лишь приблизительно. Что касается внутренних возмущений, то «Пионеры», стабилизированные вращением и не использующие двигатели для повседневного поддержания ориентации, были очень хорошими «пробными телами». «Вояджеры», скажем, в подметки им не годились. Самой значительной и плохо предсказуемой из внешних сил было давление солнечного света, направленное от светила и дающее микроскопическое дополнительное ускорение «на разгон». Эта сила снижалась с квадратом расстояния от Солнца и где-то за орбитой Сатурна перестала быть основным компонентом невязки — разницы между моделируемым ускорением «Пионеров» и реальным, вычисляемым из доплеровских измерений скорости.

Вот тут-то и вылезло «нечто». В 1980 г., изучая баллистические результаты пролета «Пионера-11» у Сатурна, Джон Андерсон, руководитель исследований по небесной механике из Лаборатории реактивного движения, обнаружил заметное и необъяснимое ускорение КА. Привлекли данные по «Пионеру-10» и увидели, что с ростом расстояния от Солнца невязка уменьшалась быстрее, чем должно падать давление солнечного света. Аппарат уже прошел отметку 20 а. е., и суммарное немоделируемое ускорение, действующее на «Пионер-10», стало отрицательным. Создавалось впечатление, будто он притягивается Солнцем с чуть большей силой, чем предписывает закон Ньютона.

Ученые обычно не склонны к сенсации, и, прежде чем обнародовать данные по ускорениям обоих «Пионеров», команда Андерсона накапливала их долгие годы. Собственно, разговоры о поиске десятой планеты были своего рода ширмой для реального исследования. Однако эта задача была сформулирована публично — требовалось предъявить результат. В июне 1988 г. NASA сообщило, что команда Андерсона не нашла абсолютно никаких свидетельств наличия неизвестной планеты или «темной звезды». Были сделаны уместные оговорки о том, что неизвестное тело, воздействовавшее на движение планет в XIX в., может иметь очень нестандартную орбиту, например сильно вытянутую или с сильным наклоном к плоскости эклиптики и с периодом 700–1000 лет. Как следствие, сейчас оно может находиться высоко над этой плоскостью и почти не возмущать движения планет. Загадка невязок в движении Нептуна осталась неразгаданной.

Единственное, что удалось увидеть в доплеровских данных по части неизвестных планет — это указания на то, что в декабре 1992 г. на расстоянии 56 а. е. от Солнца «Пионер-10» испытал сближение с одним из занептунных астероидов пояса Койпера. Джон Андерсон, Юнис Лау и их коллега из колледжа Королевы Марии и Уэстфилда в Лондоне Джакомо Джампьери опубликовали соответствующую статью в августе 1999 г.

Гравитационных волн «Пионеры» тоже не зарегистрировали.

Значение аномального ускорения «Пионеров», определенное в 1987 г., было впервые приведено в июле 1992 г. во внутреннем отчете JPL. В 1994 г. Андерсон обсудил эти данные с Майклом Нието, исследователем Лос-Аламосской национальной лаборатории, изучавшим возможные различия в воздействии гравитации на вещество и антивещество. Быть может, у ученых в руках ключи к открытию, за которое и Нобелевской премии будет мало? Было решено всерьез изучить данные «Пионеров» за период с 1987 г.

5 октября 1998 г. в журнале Physical Review Letters появилась сенсационная статья Джона Андерсона с соавторами о немоделируемом ускорении дальних межпланетных аппаратов, который немедленно окрестили эффектом «Пионеров». Были рассмотрены данные по «Пионеру-10» с 3 января 1987 г. по 1995 г., соответствующие расстояниям от 40 до 62 а. е. от Солнца. По «Пионеру-11» приходилось довольствоваться интервалом с 5 января 1987 г. до прекращения двусторонних доплеровских измерений 1 октября 1990 г., то есть от 22,4 до 31,7 а. е.

Величина аномального ускорения для «Пионера-10» составила (8,09 ± 0,20) × 10^–10 м/с², а для «Пионера-11» — (8,56 ± 0,15) × 1010^–10 м/с² в направлении к Солнцу. Какой-либо зависимости его от расстояния выявлено не было.

Проверка данных по «Галилео», летящему к Юпитеру, не позволила выделить эффект на фоне давления солнечного света. А вот «Улисс» — европейский аппарат, выведенный в результате встречи с Юпитером на полярную орбиту вокруг Солнца, — тоже вроде бы испытывал непонятное дополнительное ускорение.

Тормозящее ускорение «Пионеров» настолько мало, что машину, едущую со скоростью 60 км/ч, оно смогло бы остановить через 650 с лишним лет. Но небесная механика — наука точная и не может принять даже такую микроскопическую нестыковку теории и факта без объяснений.

Филип Лэинг и Энтони Лю из Aerospace Corp. провели баллистические расчеты траекторий «Пионеров» на другом, независимо разработанном комплексе программ и получили практически такое же значение аномального ускорения. Исследователи рассмотрели и последовательно отвергли возможные внешние источники возмущений (гравитация тел пояса Койпера, гравитация Галактики, давление солнечного света), маневры поворота оси вращения КА и утечку топлива, неизотропное тепловое излучение, радиоизлучение бортового передатчика, а также ошибки планетных эфемерид и параметров ориентации Земли, ее прецессии и нутации.

Было выдвинуто два «экзотических» предположения об источнике аномалии — влияние скрытой массы («темной материи») и неточность закона всемирного тяготения Ньютона. Первое не проходило, потому что необходимое количество невидимого вещества во внутренней части Солнечной системы легко выявлялось бы и в движении планет. Второе невозможно было согласовать с уже имеющимися данными сопровождения марсианских аппаратов «Викинг» с точностью около 12 м по дальности. Радиусы орбит Земли и Марса из-за неньютоновской поправки изменились бы на десятки километров.

Четыре года спустя та же команда исследователей опубликовала обзор с результатами детального изучения проблемы. Команда Андерсона расширила временной диапазон данных по «Пионеру-10» — с 3 января 1987 г. по 22 июля 1998 г. (от 40 до 70,5 а. е.). Немоделируемый сдвиг частоты описывался величиной (5,99 ± 0,01) × 10^–9 Гц/с. Значение аномального ускорения было определено в (8,74 ± 1,33) × 10^–10 м/с², но при желании эффект можно было описать и как ускорение времени в размере (2,92 ± 0,44) × 10^–18 с/с². Последнее было бы, пожалуй, еще интереснее.

К сожалению, из имеющихся данных невозможно было определить, какое из четырех потенциально возможных направлений имеет вектор аномального ускорения. Направлен ли он к Солнцу (и тогда у нас проблемы с пониманием гравитации), к Земле (проблемы с учетом или пониманием времени), вдоль направления движения (сопротивление среды той или иной природы) или вдоль оси вращения (бортовой источник). Все они, за исключением направления движения, были очень близки, а измерить боковую компоненту ускорения было нечем.

В работе 2002 г. были тщательно проанализированы возможные источники систематической ошибки по трем категориям (внешние по отношению к КА, внутренние и математические) и вычислены их возможные величины. Максимальный вклад получился у реактивной силы, связанной с излучением восьмиваттного передатчика через антенну HGA, но он был в восемь раз меньше наблюдаемого эффекта и имел противоположный знак. Учли неопределенности, связанные с отражением тепла РИТЭГов от корпуса и антенны КА, различием в их излучательной способности, утечкой вырабатываемого гелия, неизотропным радиационным охлаждением, неконтролируемой утечкой топлива через клапаны и т. д. Сумма всех неопределенностей составила 1,33 единицы при величине эффекта 8,74 единицы — он оставался статистически значимым.

В последующих исследованиях внимание сосредоточилось на тепловом выходе РИТЭГов. Они генерировали примерно 2600 Вт в начале полета и около 2000 Вт ближе к его концу. Прекрасный источник энергии, если учесть, что направленного излучения мощностью всего 65 Вт хватило бы для создания наблюдаемого ускорения. Неясен был, однако, механизм фокусировки рассеиваемого тепла. В 2003 г. Луис Шеффер показал возможность направленного излучения величиной 52 Вт. Это было намного больше, чем предполагалось в обзоре 2002 г., но все же меньше необходимого. В 2007 г. Виктор Тот предложил учесть наряду с тепловым излучением РИТЭГов тепловое излучение от рассеивания электрической энергии и от радиоизотопных нагревателей и получил сходную оценку.

Параллельно предлагалось, но без убедительного обоснования, множество вариантов объяснения «эффекта Пионеров» с привлечением как внутренних сил, так и «новой физики» различного рода (сопротивление космической среды, новые теории гравитации, расширения теории относительности, космологическая константа и темная энергия, ускорение времени).

Вячеслав Турышев, российский исследователь, работающий в JPL, проделал огромную работу по сбору информации о траекториях и маневрах «Пионеров» до 1987 г. и записей телеметрии и по сохранению от списания и уничтожения «бумажного» архива проекта. Ларри Келлогг из Центра Эймса отыскал и скопировал на оптические диски телеметрические записи обоих КА за все время полета. Не удалось найти лишь магнитные пленки с данными за отдельные короткие промежутки, в том числе, к сожалению, за дни пролета «Пионера-10» у Юпитера. При поддержке Крейга Марквардта из Центра Годдарда были собраны данные доплеровских измерений практически за все время полета. Пригодными для анализа оказались данные по «Пионеру-10» с февраля 1980 г. (дальность 18 а. е., суммарно 23,1 года) и по «Пионеру-11» с середины 1978 г. (9 а. е., суммарно 10,75 лет).

В результате анализа полного архива данных в 2011 г. Вячеслав Турышев, Виктор Тот, Джордан Эллис и Крейг Марквардт пришли к выводу, что аномальное ускорение «Пионеров» все-таки меняется со временем, уменьшаясь примерно на (0,17…0,18) × 10^–10 м/с² в год. Линейная и экспоненциальная модели ускорения давали практически одинаковый результат в части уменьшения невязок измерений. Удалось исключить вариант с ускорением вдоль вектора скорости, но данные не давали выбора между тремя остальными возможностями.

Наконец, в 2012 г. Турышев, Тот и их соавторы опубликовали работу с выводом о том, что несимметричное отражение рассеянного тепла действительно может быть причиной аномалии — величина результирующего ускорения, его направление и поведение во времени хорошо накладывались на реальные доплеровские измерения. Ими была построена полная конечно-элементная модель КА и получено численное решение уравнений теплопроводности и излучения с реальными данными телеметрии «Пионера-10» в качестве граничных условий. Далее, параметрическая модель силы теплового давления позволила заключить, что вклад в аномальное ускорение дают 1,04 процента тепловой мощности РИТЭГов и 40,6 процента мощности бортовой аппаратуры. Суммарно получилось 80 процентов наблюдаемого ускорения.

После этого исследователи включили параметрическую модель в расчет доплеровского сдвига частоты сигнала и получили наилучшее соответствие с реальными измерениями при коэффициентах вклада 1,44 процента и 48,0 процента. С учетом погрешностей результаты оказались в хорошем согласии — по-видимому, загадка «Пионеров» все-таки разгадана.

Подробнее читайте:
Лисов, И. Разведчики внешних планет: Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее. — М.: Альпина нон-фикшн, 2022. — 542 с.