Sprækker i Einsteins tyngdelove
Pioneer-sonderne tabte fart på vej ud af solsystemet, og fem andre satellitter fik uventet meget fart på, da de udnyttede Jordens tyngdefelt til at blive slynget af sted. En konventionel forklaring er ikke fundet, for måske har vi ikke forstået tyngdekraften til bunds.
Sonden Pioneer 10, der blev opsendt 2. marts 1972, burde ifølge beregninger baseret på Newton og Einsteins tyngdelove være 400.000 km længere fremme. En mystisk kraft trækker fra Solen. (Grafik: Troels Marstrand)
Slava Turyshev er en mand med en mission, der går ud på at finde ud af, hvorfor Pioneer-sonderne på deres vej ud gennem vores solsystem ikke fulgte Newtons og Einsteins tyngdelove.
Sonderne blev opsendt i 1972 og 1973, og da Nasa mistede kontakten med Pioneer 10 i 2002, var sonden 400.000 kilometer tættere på Solen, end den skulle være ifølge beregningerne. Jagten på både konventionelle og ukonventionelle forklaringer på denne såkaldte Pioneer-anomali har været i gang i årtier.
Men Slava Turyshev har besluttet sig for at komme til bunds i problemet. Første skridt var at skaffe samtlige data fra de gamle missioner, og efter måneders eftersøgning på sin arbejdsplads – Nasas JET Propulsion Laboratory (JPL) i Californien, hvorfra USA's ubemandede satellitter opereres – fandt han under en trappe 400 støvede magnetbånd, som indeholdt 30 års målinger af Pioneer-sondernes baner. Båndene var mere eller mindre ødelagt af fugt, men det lykkedes alligevel at redde data.
Vigtige data reddet fra lossepladsen
Slava Turyshev gjorde sit næste kup, da han holdt forelæsning på Ames Research Center i Californien. Her erfarede han, at en lastbil stod klar til at køre floppydisks med data fra sondernes 114 indbyggede sensorer på lossepladsen. Ledelsen på Ames var klar i mælet: Skidtet fyldte for meget og skulle væk.
Slava Turyshev tilbød i panik at leje en lastbil og selv hente kasserne den følgende weekend, men til sidst gav ledelsen sig og skaffede et lagerrum.
I 2006 fik Turyshev 100.000 dollar fra Planetary Society til at analysere samtlige Pioneer-data, og for nylig præsenterede han de første resultater af sine studier af Pioneer 10's bane på et møde i American Physical Society. Konklusionen var, at almindelige fænomener såsom varmeudstråling fra satellitten kun delvist forklarer satellittens afvigende kurs.
En svingtur om Jorden
Imens har Turyshevs kollega fra JPL, John Anderson, ikke ligget på den lade side. Anderson var manden, som i 1980 først påpegede Pioneer-anomalien, og hans forskerhold offentliggjorde i marts en opsigtsvækkende artikel i Physical Review Letters.
Her påviste gruppen, at fem satellitter, der tog en rundtur omkring Jorden for at udnytte planetens tyngdefelt til at blive slynget på langfart i solsystemet, fik ekstra fart på i forhold til den beregnede acceleration ifølge Einsteins relativitetsteori. Ikke meget – mellem 4 og 13 millimeter i sekundet – men målbart.
De fem satellitter er: Galileo, som fløj til Jupiter; Near, som er på vej til asteroiden Eros; Cassini, som undersøgte Saturn; Messenger, som har kurs mod Merkur og endelig ESA's Rosetta, som i 2014 skal slå følge med kometen Churyumov-Gerasimenko gennem et halvt år.
Især Rosetta er interessant, fordi den tager tre rundture omkring Jorden.
Formel forudsiger afvigelser
Analyserne er baseret på den første tur i 2005, og på basis af denne og de øvrige satellitters ekstra acceleration har John Anderson udviklet en formel, der kan forudsige fremtidige afvigelser fra beregnede baner. Første test bliver et tjek på Rosettas rundtur i november 2007, og næste trin bliver at forudsige forløbet af den sidste rundtur omkring Jorden i 2009.
Forskerne fra JPL har forsøgt at udelukke alle konventionelle forklaringer i deres computermodel, som ikke blot tager højde for relativitetsteorien og gravitionelle påvirkninger fra Solen, Månen og store asteroider, men også for effekter fra Jordens atmosfære, tidevandet i oceanerne og solvinden.
Muligheden for, at der skulle være systematiske fejl i modellen er minimeret ved, at uafhængige grupper har verificeret beregningerne ved hjælp af andre typer software. Den ekstra acceleration skyldes næppe heller effekter fra satellitterne selv, for eksempel udslip af gasser eller asymmetrisk varmeafgivelse. For hver af de fem satellitter har et unikt design, som adskiller den fra de andre.
Tyngdelove baseret på stjerner og planeter
I et interview med The Economist vurderer John Anderson, at rundturs-anomalierne og Pioneer-anomalien kan have en fælles årsag, der udspringer af en ukomplet forståelse af tyngdekraften.
Satellitterne er små objekter, og både Newton og Einstein baserede deres tyngdelove på målinger af kæmpemæssige objekter som stjerner, planeter og måner. Det kan måske have betydning.
I 2005 fremlagde John Anderson sammen med teoretikeren Michael Nieto fra Los Alamos National Laboratory en model for, hvordan Pioneer-anomalien kunne forklares. Hvis afvigelsen fra den beregnede bane var i retning mod Jorden, kunne det enten skyldes fejl i målingerne fra kontrolcentret af satellittens positioner gennem årene eller en anomali relateret til lysets hastighed.
Accelererer mod Solen
Hvis afvigelsen var i Pioneer 10's bevægelsesretning, kunne årsagen være en misforståelse af inertien, eller et uforklaret udefra kommende træk i satellitten. Hvis afvigelsen var langs med sondens spinakse, måtte effekten komme fra satellitten selv. Og hvis Pioneer 10 blev trukket i retning mod Solen, kunne der være tale om en gravitionel effekt.
Slava Turyshevs nye analyse fastslår definitivt, at den anomale acceleration er i retning mod Solen. Men Turyshev hælder til en konventionel forklaring og mener, at afvigelsen alligevel kan skyldes satellitten selv. I første omgang har hans forskergruppe sat fokus på asymmetrisk varmeafgivelse fra sonden.
Til det formål har de udviklet en termisk model af Pioneer-sonderne, som var opbygget af en række forskellige materialer – aluminium, teflon, kapton, mylar samt diverse malinger – som alle absorberer, reflekterer eller udsender stråling på forskellig vis. Desuden fik satellitten strøm fra en termoelektrisk varmekilde baseret på henfald af plutonium.
Ujævn varmeudstråling
Mens den slags computermodeller er standard for nyere satellitter, måtte Turyshev starte fra bunden af og udstyre den gamle sondes overflade med de korrekte termiske egenskaber og derefter indføre data fra satellittens temperatursensorer, som regelmæssigt rapporterede til kontrolcentreret ved hjælp af radiobølger. Derpå var computermodellen klar til at køre en simulation, som omfattede varmeoverførslen fra de indre dele til overfladen og videre ud i rummet.
Modellen viste, at udstrålingen af varme var ujævnt fordelt. Pioneersonderne roterede om sig selv vinkelret på bevægelsesretningen, og derfor ophævede effekterne af den ujævnt udsendte stråling til siderne hinanden. Men en del af den ujævne varmestråling blev udsendt parallelt med bevægelsesretningen, og her viste det sig, at et lidt mere blev udsendt i den retning, der pegede væk fra Solen end i retning mod Solen.
Med andre ord trykkede den udsendte varmestråling Pioneer 10 i retning mod Solen. På mødet i American Physical Society rapporterede Slava Turyshev, at den ujævne fordeling af varmeudstrålingen er ansvarlig for 30 procent af den målte afvigelse fra sondens beregnede kurs.
Modellen blev kørt for den periode, hvor afstanden mellem Pioneer 10 og Solen var mindst 25 astronomiske enheder – en astronomisk enhed er lig med afstanden mellem Jorden og Solen – men målet er at dække begge Pioneer-sonders 30 år lange rejse ud gennem solsystemet. Og ingen ved, hvad de komplette beregninger vil afsløre.
»Hæng på«, sagde Slava Turyshev, »det er først nu, det for alvor begynder at blive sjovt!«
