Volare nello spazio profondo porterà sicuramente molti misteri, che non saremo in grado di risolvere tra molto tempo. E questo non è sorprendente. Non appena i primi messaggeri della Terra hanno superato le orbite dei pianeti giganti, lo spazio ci ha immediatamente dato un problema. E per risolverlo, è stato persino proposto di correggere le leggi della fisica.
Pionieri
I programmi di esplorazione spaziale americani hanno sempre avuto nomi clamorosi e obiettivi ambiziosi. Nell'ambito del programma Mercury, gli americani hanno effettuato i primi voli con equipaggio e hanno creato il primo corpo di astronauti. Nel corso del prossimo programma Gemini, furono elaborati metodi di rendezvous e di attracco in orbita. Il terzo programma di voli spaziali con equipaggio era il famigerato programma Apollo. Il suo obiettivo erano i voli con equipaggio sulla luna. Ma per lo studio dello spazio interplanetario e dei corpi celesti, è stato lanciato il programma Pioneer.
Come parte delle sue missioni, gli Stati Uniti hanno inviato diverse sonde di ricerca nello spazio tra il 1958 e il 1978. La navicella spaziale ha volato verso il Sole, Venere e la Luna, ha studiato le comete che si avvicinano a noi. "Pioneer-3" ha scoperto la seconda cintura di radiazioni della Terra e "Pioneer-7" ha partecipato allo studio della cometa di Halley. Oggi, due veicoli spaziali del programma sono ben noti. Si tratta delle sonde Pioneer-10 (lanciate nel marzo 1972) e Pioneer-11 (aprile 1973), una delle ultime lanciate.
Sonda "Pioneer-10" in fase di assemblaggio
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Successivamente la NASA ha lanciato altri programmi di ricerca. Con nuove sonde più avanzate. Nel 1977, già nell'ambito del programma Voyager, Voyager 1 e Voyager 2 furono inviati sui lontani pianeti del sistema solare. E nel 2003 è stato lanciato il programma New Frontiers, all'interno del quale New Horizons, Juno e OSIRIS-REx sono andati nello spazio. Ma negli anni '50, quando il programma era appena iniziato, i suoi dispositivi negli Stati Uniti erano considerati pionieri dello spazio, e quindi furono chiamati "Pioneers". Pioneer 10 e Pioneer 11 sono stati i primi veicoli spaziali a volare attraverso la fascia principale degli asteroidi e i primi a studiare Giove a distanza ravvicinata.
I Pioneers avrebbero potuto essere i primi ad andare oltre il sistema solare, ma nel 1998 il più veloce Voyager 1 ha superato il Pioneer 10, che aveva la maglia gialla del leader in questo tour del sistema solare.
Anomalia
Per la prima volta negli anni '80 è stata scoperta un'anomalia nella traiettoria di volo delle sonde. A questo punto, le sonde hanno già completato la loro missione principale. Il Pioneer 10 volò vicino a Giove nel dicembre 1973, specificando la sua massa e misurando il suo campo magnetico. Pioneer 11 si avvicinò al pianeta esattamente un anno dopo: nel dicembre 1974. Dopo aver scattato foto dettagliate, è andato su Saturno. Nel 1979, il dispositivo ha trasmesso alla Terra le immagini del pianeta e del suo satellite Titano.
La missione principale si è conclusa, ma si è deciso di utilizzare i dati provenienti dal monitoraggio della traiettoria di volo della sonda Pioneer-10 per cercare, come ancora si ipotizzava, il decimo pianeta del sistema solare. E ora è il nono (dopo la retrocessione in Plutone). Se ci fosse una deviazione nella traiettoria, allora, come credevano gli scienziati, questa sarebbe stata una conseguenza della gravità di un pianeta sconosciuto. La deviazione è stata trovata, ma la causa di questa anomalia non era affatto un pianeta ai margini del sistema solare. Ma, ciò che è più interessante, l'anomalia è stata successivamente riscontrata nella sonda gemella.
Illustrazione dell'uscita di "Pioneers" e "Voyagers" al di fuori del sistema solare
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Oggi i veicoli volano in direzioni diverse. Pioneer 10 si sta muovendo verso il confine della Via Lattea, in direzione della costellazione del Toro. Il suo gemello, invece, è verso il centro della Galassia, verso la costellazione dello Scudo. Dovrebbe essere chiaro che entrambe le sonde sono ora in volo libero. Solo l'accelerazione e le forze esterne ottenute in precedenza influenzano il volo del veicolo spaziale. Le forze sono gravitazionali e non gravitazionali.
Tra quelle non gravitazionali, ad esempio, la pressione della radiazione solare, che provoca un'accelerazione diretta dal Sole. E la gravità del Sole, al contrario, trascina i veicoli verso la stella, provocando un'accelerazione diretta verso il Sole, cioè li rallenta. Vengono calcolate e prese in considerazione tutte le forze che possono influenzare il volo del veicolo spaziale. Tranne uno. Una forza sconosciuta e incomprensibile tira indietro le sonde. È lei la ragione dell'enigma dei Pionieri. Il potere è trascurabile, ma c'è. Gli ultimi calcoli, ottenuti entro il 2002, indicano che l'entità dell'accelerazione negativa inspiegabile è (8,74 ± 1,33) 10–10 m / s2.
Questo è trascurabile, ma ha già portato a una deviazione dei veicoli di circa 400mila chilometri dalla traiettoria calcolata. Sembrerebbe che le sonde abbiano volato miliardi di chilometri. Al momento della perdita di comunicazione con "Pioneer-10" (23 gennaio 2003), era a più di 12 miliardi di chilometri da noi. Si tratta di 82 unità astronomiche, ovvero 82 distanze dalla Terra al Sole. La comunicazione con "Pioneer-11" è stata persa il 30 settembre 1995, il dispositivo era già a una distanza di 6,5 miliardi di chilometri dal Sole, o 43 UA. e.
E cosa sono queste centinaia di migliaia rispetto a miliardi di chilometri? Ma per la scienza, questi valori insignificanti possono essere di grande importanza. Deviazione dalla norma, dalla solita comprensione delle cose, cioè anomalie, possono indicare la presenza di qualcosa di significativo, ma ancora da scoprire. Inoltre, in astrofisica.
Un'anomalia nel movimento di Urano ha portato alla scoperta di un nuovo pianeta: Nettuno. L'anomalia nel moto di Mercurio, scoperta nel 1859, fu spiegata solo dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein, che sviluppò nel 1915. La soluzione all'anomalia dei "Pionieri" può capovolgere la fisica moderna o, al contrario, essere abbastanza banale. Questo è il motivo per cui tormenta molti scienziati.
Può sorgere la domanda: come hanno fatto gli scienziati a calcolare la velocità e, di conseguenza, l'accelerazione dei veicoli? Le sonde sono state a lungo non disponibili per l'osservazione. Né Hubble né altri telescopi saranno in grado di vedere le sonde volare via da noi. Il controllo della velocità delle sonde viene effettuato misurando lo spostamento di frequenza Doppler del segnale radio, che viene inviato nella direzione della sonda e ricevuto da essa. Si basa sullo stesso effetto Doppler utilizzato per determinare la velocità dei veicoli. L'effetto si è manifestato sotto forma del cosiddetto spostamento viola, lo spostamento del segnale radio nella regione delle onde corte dello spettro, il che significa che le sonde hanno iniziato a rallentare.
Ma se parliamo di un effetto che può influenzare il movimento di due sonde, allora può influenzare anche altre? Abbiamo già detto che ce ne furono altri dopo il programma Pioneer. Ma i Pioneers sono in volo senza ulteriori correzioni di rotta da molto tempo. Ma la traiettoria di volo e l'orientamento di altre sonde sono ancora corretti dai propulsori. Pertanto, non è possibile effettuare misurazioni accurate dell'effetto, se presente.
Possibili cause dell'anomalia
Negli anni che sono stati dedicati alla ricerca di soluzioni a questo puzzle, sono state avanzate molte ipotesi. E il primo sono gli errori nelle osservazioni e nell'interpretazione dei dati ottenuti. Ma è stato abbandonato quasi immediatamente. L'anomalia è stata attribuita a vari motivi. Frenata sul mezzo interplanetario (polvere, nubi di gas, ecc.). L'attrazione gravitazionale degli oggetti della cintura di Kuiper. Perdite di gas, come l'elio, utilizzato come fluido di lavoro nei generatori di radioisotopi. Il motivo è stato ricercato anche nelle forze elettromagnetiche provocate dalla carica elettrica accumulata delle sonde. E, naturalmente, è stato attribuito all'influenza della materia oscura o dell'energia oscura. Non senza suggerimenti per correggere la fisica esistente. Le ipotesi precedenti fornivano una spiegazione non gravitazionale per l'effetto. Nel 1983, il fisico israeliano Mordechai Milgrom propose la cosiddetta teoria delle dinamiche newtoniane modificate (MOND). È un esempio di una teoria alternativa della gravità. Secondo MOND, quando abbiamo a che fare con corpi che si muovono con un'accelerazione estremamente bassa, la meccanica newtoniana deve essere corretta.
Sembra però che sia stata trovata la ragione dell'anomala accelerazione dei "Pionieri". Ma prima, diciamo un po 'del design dei dispositivi. Le sonde sono dotate di strumentazione scientifica e di un'antenna parabolica del diametro di 2,75 metri per la comunicazione con la Terra. Tutta questa apparecchiatura necessitava di alimentazione. Guarda la costruzione dei Pionieri. Vedi pannelli solari familiari ai satelliti? Non. Per i veicoli spaziali che esplorano i lontani pianeti del sistema solare, i pannelli solari non hanno senso. Man mano che ci si sposta più in profondità nello spazio, l'intensità della radiazione solare diminuisce. L'energia del sole non è più sufficiente per il funzionamento delle celle solari.
Schema dell'apparato "Pioneer-10"
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A differenza delle sonde che volano verso i pianeti interni del nostro sistema, i generatori termoelettrici a radioisotopi che utilizzano plutonio-238 sono installati a bordo per i voli su Giove, Saturno e altri pianeti lontani. Questi non sono reattori nucleari. Funzionano in modo diverso. I generatori di radioisotopi utilizzano l'energia termica, che viene rilasciata durante il naturale decadimento degli isotopi radioattivi e, utilizzando un generatore termoelettrico, la convertono in elettricità. Il plutonio-238 è proprio un tale isotopo radioattivo, il cui decadimento alimenta l'apparecchiatura a bordo delle sonde. Ogni sonda ha quattro generatori, che sono fissati su due aste stabilizzatrici di tre metri, lontane dagli strumenti scientifici dell'apparato.
Un team di ricerca è stato formato presso il Jet Propulsion Laboratory dell'Agenzia aerospaziale nazionale degli Stati Uniti per studiare l'anomalia dei Pionieri. Era diretto dal nostro connazionale, un laureato del Dipartimento di Fisica dell'Università statale di Mosca Vyacheslav Turyshev. I ricercatori sono stati in grado di costruire un modello matematico che spiega l'accelerazione anomala dei "Pionieri" almeno del 70%. Secondo loro, tutto il punto è nei flussi di calore provenienti dalla sonda in diverse direzioni. E la principale fonte di calore sono i generatori di radioisotopi, che hanno fornito energia alle apparecchiature di bordo. Il calore è stato generato dal funzionamento degli strumenti. Quando gli strumenti venivano spenti, veniva spesa sempre più energia per riscaldare le sonde. Il calore veniva irradiato nello spazio. Era la forza del rinculo della radiazione termica che è stata sottovalutata nel calcolo della traiettoria di volo stimata. Tuttavia, la pressione di radiazione termica non è uniforme. In volo, le sonde vengono stabilizzate ruotando attorno all'asse longitudinale. Il calore irradiato perpendicolarmente all'asse longitudinale viene dissipato in tutte le direzioni in modo uniforme e non influisce sul movimento delle sonde. Ma c'è anche radiazione lungo l'asse. E irradia in modo non uniforme. I calcoli hanno dimostrato che il flusso di calore irradiato nella direzione di movimento dei veicoli dà un ritorno maggiore di quello che va in direzione opposta, cioè lo sovrasta e provoca l'effetto frenante.cioè, lo sopraffà e provoca un effetto di inibizione.cioè, lo sopraffà e provoca un effetto di inibizione.
Vista posteriore dell'antenna trasmittente
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Ma qual è il motivo del restante 30%? Forse i fisici dell'Istituto portoghese di plasma e fusione nucleare sono riusciti a trovare una spiegazione. Hanno seguito lo stesso percorso del gruppo di Turyshev. Ma abbiamo prestato maggiore attenzione all'antenna trasmittente delle sonde, che, ricordiamo, ha un diametro di quasi tre metri. Dopo aver effettuato nuovi calcoli basati sul loro modello matematico delle sonde, sono giunti alla conclusione che la radiazione termica riflessa dal lato posteriore dell'antenna fornisce lo stesso impulso mancante.
Ebbene, il mistero che perseguitava gli scienziati sembra essere risolto. L'umanità continua a esplorare lo spazio. Per nuovi enigmi e un'entusiasmante ricerca delle loro soluzioni.
naturalphilosophy.org
Sergey Sobol
