Anomalische Pioniere

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NASA-Fotografie von Pioneer 10 mit dem Sonnensystem im Hintergrund. Echt jetzt.

Es folgt die siebzehntlängste Artikelempfehlung der Welt.
3. März 1972. Die USA befinden sich auf dem Höhepunkt ihres Weltraumbeschusses mit riesigen Metallprojektilen. Ein dreiviertel Jahr bis zum Start der letzten Mondlandemission Apollo 17. Um 20:49 hebt von Launch Complex 36 in Cape Canaveral eine Atlas-Rakete mit Centaur-Oberstufe ab.
Mit an Bord: Pioneer 10. Eine NASA-Raumsonde, die sich auf den Weg macht, Jupiter, den Asteroidengürtel und was sonst noch so im Sonnensystem rumfliegt zu erforschen.

Nachdem die Sonde ein einhalb Jahre wissenschaftliche Messdaten und, wichtiger!, hübsche Bilder von Jupiter zur Erde zurückgesandt hat, schickt man sie auf ihre interstellare Mission: Ihre Flugbahn wird so eingestellt, dass sie sich immer weiter vom Sonnensystemzentrum entfernt1. Das macht man häufiger mit solchen Sonden. Schließlich hat man sie schon teuer hochgeschossen und das Weiterdraußen im Sonnensystem ist eher schwer mit dem Auge zu beobachten. Und aus irgendeinem Grund muss man ja die extraterrestial lesbare Goldplakette mit dem Portfolio der Menschheit angebracht haben.

Pioneers Plakette. Bild der NASA.

Die Sonde entfernt sich immer weiter von der Erde, Kommunikationsstrecken werden immer größer, Plutoniumenergievorräte immer kleiner. Was zur Folge hat, dass immer mehr wissenschaftliche Geräte von Pioneer 10 abgeschaltet werden müssen. Auch wenn das Geld für die eigentliche Missionszeit bereits weg ist, schafft man es bei der NASA über die Jahre von anderen Projekten Gelder locker zu machen, um immer mal wieder Kontakt zur Sonde aufzunehmen.
Bis am 7. Februar 2003, 31 Jahre nach Missionsbeginn, die Batterien nicht mehr ausreichen, um auf eine Kontaktanfrage der Erde zu antworten. Die Sonde ist zu dem Zeitpunkt von uns ca. 80 Mal so weit entfernt wie die Sonne. Farewell. Vermutlich werden in ein paar Millionen Jahren die Bewohner im System von Aldebaran das nächste Mal Kontakt zu Pioneer 10 haben und das unbekannte Flugobjekt mit ihrem Energiestrahl vernichten, bevor die Spinnenwesen sich überhaupt erst über unsere Morphologie lustig machen können. Puh.

Soweit, so wie Jedesanderecooleraumschiff.

Bild Jupiters, das Pioneer beim Vorbeiflug aufnahm. Aus der Wikipedia.

Was aber Pioneer 10 besonders macht, ist ein Effekt, den man 1980 auf dem Weg zum Rand des Sonnensystems festgestellt hatte. Man taufte ihn die »Pioneer-Anomalie«, denn die Sonde wich von der erwarteten, weil vorausberechneten Flugbahn durch das Sonnensystem ab. Anfangs zwar nur minimal, aber immerhin messbar.
Man beobachtete, dass eine zur Sonne zeigende Beschleunigung von 8,7 · 10-10 m/s² auf das Raumschiff wirkte.
Hatte man sich beim Berechnen der Flugbahn vertan? Hatte der Praktikant vergessen die »Turbo«-Taste des Rechenschranks zu drücken? Fluktuiert die Gravitationswirkung der Elemente des Sonnensystems? Gravitationswellen? Hatten die Spinnenwesen von Aldebaran mikroskopische Netze auf die Sonde geschossen? Ist die uns umgebende Dyson-Sphäre nur aus Aluminium und nicht aus Blei, wie erwartet?

Mehr oder weniger mit den Fragen beschäftigte man sich eine lange Zeit. Rechenfehler konnte man ausschließen und auch alle bekannten Modelle, insbesondere Newtons Gesetze, hatte man korrekt angewandt.

Lebt wohl, ihr Sonden! Bild aus der Wikipedia.

Auch bei anderen Sonden (Ulysses, Galileo) fand man Indizien für die Anwesenheit einer unerwarteten Beschleunigung, allerdings waren die Sonden nicht so weit von der Sonne weg, dass man etwas Definitives sagen könnte. Die Voyager-Sonden sind, seitdem sie 1998 die Pioneers überholten, die am weitesten von uns entfernten, von Menschenhand gebauten Objekte und wären eigentlich prädestiniert für eine Messung in Hinblick auf die Beschleunigungsanomalie. Allerdings besitzen die Sonden ein Stabilisierungssystem, das zu einer immanenten Ungenauigkeit führt, innerhalb derer eine etwaige Beschleunigung verschwindet.

Ende der 90ern kam aus anderer Physikrichtung die Idee einer Dunklen Energie auf, die an unserem Universum zerrt. Just zur gleichen Zeit als die NASA-Wissenschaftler ihr Problem mit der falschen Beschleunigung publik machten. Dazu noch hatten sie herausgefunden, dass der Wert der Beschleunigung im Rahmen der Fehler dem Produkt aus Hubble-Konstante und Lichtgeschwindigkeit entspricht, zwei fundamentalen Größen, die natürliche Ursprungseffekte implizieren könnten! Ein feuchter Traum für Astrophysiker — konnte damit ein Beweis für Dunkle Energie gefunden sein?

»Moooment!« sagten Forscher bereits damals. Sie hielten das für unwahrscheinlich. Und rechneten und theoritisierten fleißig weiter. Eine Suche auf arXiv.org bringt eine ganze Menge Hits zu Tage. Mittlerweile gibt’s eine ganze Liste an möglichen Ursprüngen der Anomalie2.

Pioneer 10 in einer Testkammer. Bild der NASA.

Zwei der Forscher, Slava G. Turyshev vom Jet Propulsion Laboratory3 und Viktor T. Toth, ein Softwareentwickler, der nebenbei physikalische Probleme löst4, nahmen sich vor, die Anomalie noch mal von Anfang aufzurollen. Sie wollten herausfinden, ob eventuell entweichende Wärmestrahlung aus dem Inneren der Sonde zur Beschleunigung führen könnte.
Sie bauten ein detailliertes Modell der Sonde im Computer nach und gingen in den NASA-Archiven auf die Suche nach den Originalübertragungsdaten von Pioneer 10. Die Fanden sie zum Teil auf dem Müll oder bei pensionierten NASA-Angestellten, die sie5 privat vor der Vernichtung bewahrten.

Wie die fast filmreife Story6 ausgeht, was Turyshey und Toth gedenken herauszufinden, was es mit dem 165-seitigen Paper »The Pioneer Anomaly« auf sich hat und viel ausführlichere Zusammenfassungen des Themas als oben gibt es im passenden Popsci-Artikel von Natalie Wolchover.
Wie gesagt, die siebzehntlängste Artikelempfehlung. Lest ihn!

→ Popsci.com »The Pioneer Anomaly, a 30-Year-Old Cosmic Mystery, May Be Resolved At Last«

Nachtrag, 28.4.2011: Unser Leser Michi ist Physikstudent an der LMU München und hat für eine Vorlesung von Prof. Harald Lesch mit zwei seiner Kommilitonen eine Arbeit über die Pioneer-Anomalie geschrieben. 50 Seiten, die das Problem etwas wissenschaftlicher erklären! Unbedingt ansehen!

  1. Die Findigen unter euch werden nun festhalten wollen, dass viele Flugbahnen so gestaltet sind. Das ist korrekt. []
  2. Leider alle ohne Dyson-Spähren oder Spinnenwesen. Lahm! []
  3. Die verwalten all die coolen NASA-Sonden. []
  4. Jep, WTF! []
  5. Die Übertragungsdaten, nicht die pensionierten NASA-Angestellten. []
  6. Man ersetze Pioneer durch ein Space Shuttle, teile alle vorkommenden Astronomischen Einheiten (AUs) durch 100 und führe die Beschleunigung auf die Anwesenheit eines getarnten außerirdischen Raumschiffs zurück und schon haben wir einen vollwertigen Mystery-Krimi-Sci-Fi-Thriller. Bittesehr. []
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3 Antworten auf Anomalische Pioniere

  1. Michi sagt:
    #1

    He, das ist ja lustig.
    Ich bin neulich über deinen Blog gestolpert und hab ihn per RSS abonniert – und jetzt lese ich das hier! Warum das lustig ist? Ich schreib grade im Rahmen meines Physik-Studiums eine Arbeit über die Pioneer Anomalie und hab – neben vielen anderen – die besagte Arbeit (eher ja schon ein Buch) von Turysehv und Toth vor mir liegen…
    Wenn Interesse besteht, kann ich euch wenn ich euch unsere Arbeit schicken, wenn ich damit fertig bin. (Ist nicht ganz so lang, ziemlich allgemein verständlich und auf deutsch – also auch was für nicht Geeks.) ;)

    Michi

  2. Andi sagt:
    #2

    Na klar! Schick mal vorbei! E-Mail-Adresse findest du im Impressum.

  3. Andi sagt:
    #3

    Michi hat mir die Arbeit geschickt! Ich habe sie dem Artikel unten als Nachtrag angefügt.

  1. Pingback: Die Pioneer-Anomalie ist gelöst – ein Gastbeitrag | physikBlog