Jedno je sigurno – nešto čudno se dešava ne samo kod nas u zemlji,
već i u dubinama solarnog sistema!
Dve istorijske svemirske letilice, Pioneer 10 i 11, ne nalaze se tamo gde bi trebale da budu. Te sonde, lansirane 1972. i 1973. godine, koje su do danas prevalile stotine i stotine miliona kilometara [1], hitaju ka diskutabilnim nevidljivim granicama solarnog sistema. Svake godine, sonde se nalaze za dodatnih 5.000 kilometara iza matematički predviđene pozicije.
Pre nego što kažem neku reč više o uočenoj anomaliji, red je da kažem nešto o samim akterima. Pioneer 10 je 2. marta 1972. trostepenom rakerom Atlas/Centaur/TE–364–4 lansiran sa Cape Canaverala. Bio je to naš prvi pokušaj istraživanja spoljnjih planeta, što je krunisano bliskim susretom sa Jupiterom 4. decembra 1973. godine. Pioneer 11, lansiran nešto kasnije, pratio je svoju sestru do Jupitera, a onda je bio preusmeren ka Saturnu, gde je stigao 1. septembra 1979. godine.
Same letilice je za Nasu napravila kalifornijska kompanija TRW Inc. Bile su teške samo 259 kg, od čega je na instrumenta (bilo ih je 11) otpadalo 30, a na gorivo 27 kg. Kao i njihovi naslednici, Voyageri 1 i 2, sonde su koristile po dve radioizotopske termoelektrične generatore (SNAP–19) punjene plutonijumom–238, teške 13,6 kg, koji su u početku davali 155 vati, a nakon obavljenih zadataka oko Jupitera, oko 140 vati. Danas je snaga pala verovatno na ispod 20 vati, što je praktično premalo za uključivanje bilo kojeg predgrejača ili instrumenta.
Iako su po mnogim aspektima ove letilice bile i bukvalno pioniri, ostale su zabeležene kao najpreciznije upravljane deep–space letilice u istoriji – njihova spin–stabilizacija je omogućavala merenja u promenama ubrzanja reda veličine od samo 10–10 m/s2, što je 50 puta preciznije od Voyagera.
Kada su kompletirale svoje primarne zadatke, sonde su u svojim produženim misijama dobile zadatak da se bace u lov na gravitacione talase, Planetu X, transneptunske objekte, i sl. Da bi bile što efikasnije, kada je došlo vreme napustile su solarni sistem u dijametralno suprotnim pravcima, putujući približno duž ekliptike, zamišljene ravni Zemljine orbite oko Sunca. Pionir 10 je u junu 1983. postao prvi objekat napravljen ljudskom rukom koji je odleteo iza tada najdalje poznate planete, Plutona.
Iako su originalno konstruisani da rade samo 21 mesec, Pioniri su funkcionisali više od trideset godina [2]. Poslednji uspešan prenos telemetrijskih podataka sa Pionira 10 je izvršen 27. aprila 2002. godine, nakon čega je kontakt zauvek izgubljen, pre zahvaljujući velikoj daljini i padu napona u atomskim akumulatorima nego nekom kvaru na uređajima i sistemima ovih fenomenalnih sonde.
Nakon toga, moćne antene Deep Space Networka su uspele da još samo jedan jedini put ulove slab signal sa "Desetke". Bilo je to 23. januara 2003., kada je sonda bila preko 12 milijardi kilometara (82 a.j.) udaljena od Zemlje. Tada je signalu, koji putuje brzinom svetlosti, trebalo čitavih 11 sati i 20 minuta da dospe do nas.
Sledeći kontakt je pokušan 7. februara 2003., ali bez uspeha. Konačno, direktor misije David Lozier je uspeo da kod glavešina Nase izmoli da 4. marta 2006. godine antene budu poslednji put postavljene u pravilan položaj za traženje Pionira 10. Ni ovog puta prijemnici nisu uspeli da uhvate slabašne damare života sa udaljene sonde.
Nakon toga, Pioneeri su nastavili da kao nekakve sablasti lete u tišini kroz međuzvezdanu pustinju, hitajući ka crvenom džinu, Aldebaranu, koji se nalazi u oku sazvežđa Bika (Taurus), i koji je udaljen oko 68 svetlosnih godina. Iako leti brzinom od preko 12 km u sekundi, Pioniru 10 će trebati oko 2 miliona godina da stigne do tamo.
A sad da se vratim na temu.
Gde su pioniri?
Pioniri 10 i 11 se kreću jako brzo – ali ne toliko brzo koliko se očekivalo. Svake godine se nalaze oko 5.000 kilometara iza tačke gde bi zapravo trebali da se nalaze. Preciznom analizom radio–signala, koji su sa udaljenosti od 25–75 a.j. dolazili sa Pionira 10 i 11 do nas, uočeno je malo ali konstantno i neočekivano Doplerovo odstupanje u frekvenciji. Odstupanje bi moglo da se objasni nekim konstantnim ubrzanjem obe letilice u pravcu Sunca, koje konstantno iznosi (8,47 ± 1,33) × 10–10 m/s2. I pored velikog truda naučnika, do sada nije pronađen neku teoretski ili mehanički razlog koji bi u potpunosti objasnio ovu pojavu. Neka rešenja idu od pretpostavki da se radi o (recimo) uticaju tamne materije, pa do trivijalnih razloga, kao što je curenje gasa, termalna odbojna sila, i slično.
Na let deep–space letilica utiču mnogi faktori: Sunce, Mesec, planete, veliki asteroidi, i slično, ali i solarno zračenje i pritisak vetra, međuplanetni medijum i mnogo drugog. Ali i na određivanje precizne lokacije na nebu utiču mnogi faktori: modeli precesije, nutacije, sideričke rotacije, kretanje polova, plimski procesi, pomeranje tektonskih ploča, Čandlerovo kolebanje, i još koješta.
Naučnik iz Laboratorije za mlazni pogon (JPL), Jonh Anderson, i njegove kolege, pokušavaju još od 1980. godine da pronađu objašnjenje uočenog fenomena, ali do sada nisu pronašli ništa konkretno; nikakvo ponašanje samih letilica ili do sada nepoznata svojstva sila u spoljnjem delu solarnog sistema ne mogu da objasne njihovo čudno ponašanje. Zato su naučnici počeli da razmišljaju o nečem do sada nezamislivom: možda naši zakoni fizike, ili naše shvatanje istih, nije u redu? Možda se radi o "novoj fizici" [3]?
Iako bi mnogi to želeli, izgleda da ipak nije u pitanju "nova fizika", već nešto što ima veze sa "starom" fizikom, što nismo protumačili na pravilan način. U igri su mnoge opcije: možda su se letilice raspale na način koji nismo predvideli; možda nismo u stanju da u potpunosti shvatimo njihovo ponašanje; možda postoji neka greška u podacima na osnovu kojih vršimo praćenje sondi? Možda nas sve to navodi na postojanje nekog bizarnog efekta fizičkih objekata – planeta, ili objekata Kajperovog pojasa, koji deluju na do sada neotkriven način? Da li je moguće da u proračune kretanja nije pravilno predviđen uticaj, recimo, solarnog vetra, ili je potrebno promeniti varijable u postojećim konstantama za masu i gravitaciju u solarnom sistemu?
Ako se ispostavi da Pionirovu anomaliju možemo da pripišemo letilici ili našoj metodi praćenja, to bi moglo da usavrši naše razumevanje svemirskih letilica i načina njihovog kretanja kroz duboki svemir. Ako pak odgovor leži u okruženju Sunčevog sistema, to bi moglo da dovede do potpuno novih otkrića o prirodi načeg svemira.
U nauci postoji jedan filozofski način prilaska problemima poznat pod nazivom Okamov brijač, koji kaže da se uvek treba prikloniti najprostijem ponuđenom objašnjenjenju od onih koja daju dobar odgovor na postavljen problem. Otkrića "novih fizika" su jako retka u ljudskom poimanju sveta, i zbog toga mnoga složena objašnjenja otpadaju. Otkriće da objekti Sunčanog sistema deluju na Pionire na neki neotkriveni način se čini kao najprostije objašnjenje, ali je ipak verovatno najjednostavnije pretpostaviti da se nešto dešava na samim letilicama. Okamov brijač nam sugeriše da prvo razmotrimo jednostavna objašnjenja, a da novu fiziku ostavimo za kraj.
To je u osnovi ono što su naučnici uradili do sada. Jednostavna inženjerijska rešenja do sada nisu dala rezultate, ali je sveukupno dovoljno toga urađeno i na polju raznovrsnih drugih mogućnosti, tako da nam Okamov brijač dozvoljava da isečemo malu pukotinu put čak i ka idejama nove fizike.
Interesantno je da se niti NASA niti JPL ne interesuju dovoljno (čitaj, ne daju dovoljno para) za iznalaženje rešenja. Koliko ja znam, trenutno jedino Planetno udruženje (Planetary Society [4]), potpomognuto brojnim članovima, pokušava da spasi i ponovo rastumači more prikupljenih podataka o statusu letilica i Dopleru, kao i da ih ponovo analizira, koristeći najnovije tehnologije.
Tarišev
Ali njihovo proučavanje malog ali uočljivog usporavanja dva Pionira sprečava otežan pristup telemetriji i podacima o praćenju sondi vezavim za Doperov efekat – koji se čuvaju na magnetnim trakama koje se polako ali sigurno raspadaju – i već pomenutim nedostatkom Nasine pomoći. Još jednom je Planetno udruženje naišlo na razumevanje svojih donatora i sakupilo sredstva neophodna za "data recovery" i njihovu analizu. Njihov član i istraživač zaposlen u JPL, Slava G. Tarišev, izneo je u Sent Luisu 13. aprila ove godine pred okupljenim članovima Američkog udruženja za fiziku jednu od delova tih analiza: urađen termički model svemirskih letilica Pionir.
Podaci sa Pionira – Cilj današnje grupe naučnika je da ponovo pretresu sve prikupljene podatke sa Pionira 10 i 11. Problem je što se za 40 i više godina sve promenilo: i formati u kojima se podaci čuvaju, i softver, i hardver, i DSN konfiguracija, i ljudi, itd. i ništa više nije kompatibilno sa ovim što posedujemo danas.
Zašto termički model, i šta uopšte on predstavlja? Snaga Pionirove anomalije je toliko mala da može da se objasni nepravilnim zračenjem toplote sa letilica. Pioniri su, kao i ostale svemirske letilice, napravljene od (relativno) mnogo različitih materijala: aluminijuma, "teflona", "kaptona[5]", "mylara", aluminizovanih boja, itd, od kojih svaki na svoj način apsorbuje, reflektuje ili emituje zračenje; a neki materijali, posebno plutonijum iz pogonskih ćelija, proizvode čak i sopstvenu toplotu. Da bi otkrili u kom pravcu letilica zrači koliku količinu toplote, Tarušev i njegove kolege su morali da krenu od samog početka, praveći CAD (Computer–Aided Design) model svemirske letilice, oblažući ga površinama tačno određenih termičkih svojstava, uključujući naknadno protumačene podatke o temperaturama na različitim mestima unutar svemirske letilica, a onda su se bacili na beskrajno rešavanje diferencijalnih jednačina koje se trebale da pokažu kako temperatura zrači prenosi se i unutar letilice, i na kraju, u kom pravcu zrači kada izbije na površinu. Kada bi Slavi palo na pamet da istu analizu uradi za neku modernu sondu, recimo sa Cassinijem, bilo bi mu lako; vrlo lepi CAD modeli već odavno postoje. Ali u ovom slučaju, modela Pionira nije bilo – samo mnogo, mnogo starih dokumenata (od kojih je neke Slava spasao iz Nasinog istraživačkog centra Ejms 2006. godine, baš neposredno pre njihovog uništenja), mnogo sreće i pomoći nekolicine penzionisanih inženjera koji su učestvovali u izgradnji svemirske letilice.
Za početak, Turišev je odlučio da pokuša da odredi termičko ponašanje samo jedne letilice (Pionira 10) u jednom jedinom trenutku: julu 1981. godine, baš kada je Pionir 10 prešao granicu od 25 astronomskih jedinica od Sunca. (Za tvoju orijentaciju, to se nalazi na sredini između Uranove i Neptunove orbite.) Tek su udaljenosti od 25 a. j. omogućile Slava da napravi neke jednostavne pretpostavke. Na toj udaljenosti, proračunao je Turišev, pritisak solarne radijacije je beznačajan; temperatura Sunca je nedovoljna da promeni stanje letilice; i dovoljno je hladno da su poklopci rashladnog sistema (otvori na dnu letilice projektovani da prekomerna toplota može da izlazi iz unitrašnjosti; vidi šemu) zatvoreni. Nakon svih tih priprema, uzeli su model i unelu sva temperaturna očitavanja senzora u tom trenutku, a onda sačekali da kompjuter izbaci numeričko rešenje bezbrojnih jednačina i stvori model zasnovan na 3,4 miliona pojedinačnih senzorskih provodnika zračenja. Nakon puna dva dana neprekidnog računanja, kompjuter je zatražio dodatne parametre, i čitav posao započeo iz početka. Posle nekoliko pokušaja, konačno se pojavio dugoočekivani termički model.
Geometrijski model svemirske letilice Pionir 10 – Ovaj kompjuterski model je napravio Slava Tarišev sa kolegama, sa ciljem da odredi pravac i jačinu toplotnog zračenja koje emituje letilica. Neki delovi, kao što su kranovi koji nose magnetometar i nuklearne baterije, ili dijagonale koje drže predajnik iznad tanjira antene, tretiraju se kao "termalno neutralne", i kao takve nisu uključeni u model.
Napravivši svoj termički model, sledeći korak je bio da se odredi na koji način je sve to uticalo na ubrzanje koje je Pionir imao u datom trenutku. Činjenica da se svemirska letilica sve vreme okretala oko ose je čitav posao činio dodatno lakšim [6]. I konačno, model je dokazao ono što je Slava svo vreme i pretpostavljao: termičko zračenje letilice nije izotropno (znači da se toplota ne širi oko sonde na sve strane podjednako); najviše zračenja izlazi na bočnim stranicama letilice, u pravcu koji je normalan na pravac kretanja. Zbog spinovanja letilice, najveći deo bočne emisije biva uzejamno potrt, ali postoji jedna mala komponenta zračenja koje izbija i na čeonim stranicama. To zračenje je malo veće na onoj strani koja je okrenuta suprotno od Sunca od one strane koja je uvek okrenuta ka Suncu. Upravo to i jeste pravac Pionirove anomalije, i Slava je objavio da njegov model može da objasni snagu oko 30% anomalije na toj udaljenosti od Sunca. Bio je to odličan početak.
Šta je bilo sledeće? Na sastanku JPL 4. aprila ove godine, Slava i njegov tim su pokazali svoj model grupi zainteresovanih inženjera (uglavnom autsajdera na projektu), a oni su im dostavili listu preporuka kako bi trebalo usavršiti model. Takođe, morali su da izvrše analizu osetljivosti – što znači da su trebali da variraju neke osobine materijala na površini svog modela i vide njihovu osetljivost prema nekim nepoznatim parametrima. [Naprimer, nepoznato je kako se emisivnost aluminijumske boje (debele u proseku 2,5 mm) na površini letilice menja tokom duge izloženosti međuplanetnog radijacionog okruženja.] A potom, budući da su imali prilično sreće sa modelom na 25 a. j., svi su želeli da ga isprobaju na svim sledećim udaljenostima letilice (u skokovima od 5 a. j.) i vide kako bi se menjao tokom vremena – posebno da se vidi kako se efekti vremenski menjaju sa porastom udaljenosti letilice od Sunca, i sporim otpuštanjem toplote nasale raspadom plutonijuma [7] u električnim generatorima.
Iz svega navedenog se vidi da ipak dolazi do nekih pomaka. Svi se nadamo da na sledeće rezultate nećemo dugo da čekamo.
|
[1] Pioneer 10 se u aprilu 2008. nalazio na preko 14.200.000.000 km od naše planete (95 a.j. od Sunca). Da ga ima, signalu bi trebalo preko 13 sati da stigne do Zemlje. Na toj udaljenosti, Sunce je 10 magnituda "slabije" nego ovde, ali se još uvek –16,7 mag! Pun Mesec je –12,7, što znači da je oko 40 puta "slabiji" od Sunca koje obasjava Pioneera. [2] Zvanično, misija Pioneera 10 je okončana 31. marta 1997., a Pioneera 11 30. septembra 1995. [3] Ovde se pokušava da povuče paralela između Ajnštajnovog otkrića nove fizike kroz opštu relativnost, koja je potpuno promenila Njutnovu fiziku koja je vladala vekovima pre toga. Možda nam Pioniri sugerišu da je u našim zakonima kretanja potrebno nešto duboko, veoma suptilno, korigovati. Letilice su 30 godina praćene sa ogromnom preciznošću – jedan deo prema hiljadu milijardi. [4] Udruženje su 1980. osnovali Carl Sagan, Bruce Murray, i Louis Friedman, sa ciljem da preko angažovanja, projekata i edukacije inspirišu i uključe svetsku javnost u svemirska istraživanja. Danas su najveća i najuticajnija javna svemirska grupa na Zemlji. Posvećeni istraživanju solarnog sistema i potrazi za životom van Zemlje, udruženje je nevladina i neprofitabilna institucija, koja se izdržava isključivo dobrovoljnim prilozima svojih članova, koji potiču iz 125 zemalja sveta. [5] Sintetički materijal koji se koristi za štampana kola, kao izolacija od zračenja u svemirskim odelima, zaštita protiv mikrometeorita, itd. NASA očekuje da će baš od ovog materijala da se prave buduća solarna jedra. Zbog dobrih dielektričkih svojstava, glavni je materijal u kriogenici, uređajima koji rade na temperaturama oko 0 K. [6] Obe letilice su se radi stabilizacije okretale (a i sada se okreću) oko ose paralalne sa osom 2,74–metarskog reflektora (tanjira). Normalna brzina Pionira 10 je 4,8 okreta u minuti. Pionir 11 se kretao brzinom od oko 7,8 okreta/min zbog kvara na trasterima. [7] Radi se o oksidu 238Pu, koji ima vreme poluraspada od 87,75 godina. |
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
