«Земля и Вселенная» 2002 №5, с. 78-81

На стр. 4 обложки: Космический аппарат "Пионер-10". Прошло 30 лет со времени его старта и 19 лет после пересечения им орбиты Плутона, но до сих пор удается поддерживать с ним радиосвязь. Рис. NASA (к ст. Дж. Андерсона, Ф. Ланга и др.).

АМС "Пионер-10" и "Пионер-11" (Земля и Вселенная, 1972, №4; 1973, №6; 1995, №5; 1996, №3; 1997, №4;1998,№3; 2000, №4; 2001, № 5), кажется, никогда не потеряют способности удивлять нас. Спустя 30 лет после запуска они продолжают снабжать нас информацией, включающей сведения о скорости космических зондов. Группа исследователей проанализировала полет "Пионеров" и сделала сенсационное открытие: скорость космических аппаратов возрастает без видимой причины.

Дж. Андерсон в 1991 г. опубликовал в журнале "The Planetary Report" статью, где отметил, что, судя по данным доплеровских измерений скоростей АМС "Пионер-10" и "Пионер-11", десятая планета в Солнечной системе не обнаружена. Открытие многочисленных объектов пояса Койпера (Земля и Вселенная, 1999, № 5) за орбитой Нептуна хотя и свидетельствует, что там вполне достаточно "строительного" материала, все же планеты с массой порядка земной или больше, по всей вероятности, нет.

Астрономы еще в начале XX в. предполагали, учитывая некоторые особенности в движении Урана и Нептуна, что существует десятая планета. Однако в 1993 г. М. Стендиш из Лаборатории реактивного движения (США, штат Калифорния) показал, что вычисляемые траектории этих далеких планет вполне соответствуют наблюдениям.

Можно думать, что дальнейший анализ данных, полученных "Пионерами", с целью поиска планеты X — пустая трата времени. Но это не так. В ходе работ мы заметили, что результаты доплеровских измерений не вполне соответствуют расчетным траекториям. Обнаруженное аномальное ускорение невозможно было объяснить ни погрешностями принятой модели Солнечной системы, ни влиянием дополнительной силы от планеты X или от чего-то еще. Когда теория расходится с экспериментом, ученые должны выяснить причину несоответствия. Поэтому мы продолжили изучение аномального ускорения.

Оказалось, что после учета всего, что влияет на результат, сохраняется остаточный доплеровский сдвиг частот, который может быть объяснен наличием аномального ускорения, направленного к Солнцу. Это интересный вывод для таких разных наук, как теоретическая физика и дальняя космическая навигация.

Напомним, что "Пионер-10" запущен 30 лет назад, 2 марта 1972 г., и 4 декабря 1973 г. пролетел вблизи Юпитера (в 140 тыс. км). Это была первая экспедиция к внешней планете. "Пионер-10" — первый космический зонд, покинувший пределы планетной системы, — в июне 1983 г. пересек орбиту Плутона. "Пионер-11" (запущен 6 апреля 1973 г.) посетил Юпитер (3 декабря 1974 г. пролетел на расстоянии 42 828 км от него) и Сатурн (1 сентября 1979 г., в 21 400 км). Однако повреждение его радиосистемы 1 октября 1990 г., на удалении 30 а.е. от Солнца, сделало невозможной генерацию когерентных доплеровских сигналов.

Траектории полетов АМС "Пионер -10/11" и "Вояджер -1/2". Проекция на плоскость эклиптики. Рис. NASA.

Миссия "Пионера-10" официально закончилась 31 марта 1997 г., когда аппарат удалился на расстояние 67 а.е. Однако его радиосистема продолжает действовать. Служба дальней космической связи (DSN — Deep Space Network) использует ее при тестировании своего оборудования, предназначенного для приема крайне слабых сигналов из космоса. Сотрудники программы SETI также используют "Пионер-10" для испытаний своих приемников, в том числе радиотелескопа в Аресибо (Пуэрто-Рико). Заметим, что мощность передатчика — 8 Вт, а расстояние до него — 67 а.е.

В ходе этих работ мы продолжаем получать данные для наших исследований.

Теперь скорость "Пионера-10" относительно Солнца равна 12.24 км/с. Он удалился от Земли на расстояние около 12 млрд. км и продолжает движение в межзвездном пространстве в направлении к красной звезде Альдебаран в Тельце. Радиосигнал от него идет примерно 11 ч 06 мин.

Негравитационные силы, действующие на космические аппараты, — обычное дело. К сожалению, они могут вызывать проблемы, как было в случае с "Марс Клаймит Орбитер" (Земля и Вселенная, 1999, № 3). Этот аппарат сгорел в марсианской атмосфере из-за ошибки в расчете величины тормозного импульса микродвигателей при работе системы ориентации.

Проверка систем "Пионера-10" перед запуском. Фото NASA.

Негравитационные силы, влияющие на их полет, — давление солнечной радиации и реактивный эффект от термической и радиоэмиссии, генерируемых энергосистемой (радиоизотопный термоэлектрический генератор). С 1980 г., когда аппарат удалился на 20 а.е. от Солнца, вклад солнечной радиации в ускорение, направленное от Солнца, снизился до менее чем 5 х 10^-8 см/с². До пересечения с орбитой Юпитера влияние солнечной радиации еще чувствовалось в доплеровских данных, но после 20 а.е. практически исчезло. С этого момента мы начали понимать, что какая-то другая, непонятная сила действует на аппарат, вызывая постоянное ускорение, направленное к Солнцу.

После открытия странного ускорения двое из нас, Дж. Андерсон и Э. Лау, решили проследить за ним. Поскольку мы были уверены, что аномалия — навигационно-модельная ошибка, то этой задаче не придали значения. Мы ввели постоянную поправку в нашу модель доплеровского смещения, чтобы точнее вычислять траекторию. Ожидалось, что аномалия постепенно исчезнет. Этого не случилось.

В 1994 г. проблемой занялся М. Ньето. Он готовил доклад о проверке сил гравитации для одного из симпозиумов и связался с Дж. Андерсоном, чтобы справиться, как выполняется закон Ньютона в межпланетном пространстве. И ощутил нечто вроде шока, когда получил ответ, что в наших экспериментах выявлена систематическая неувязка в 8 х10^-13 км/с².

В это время проблемой занялся физик С. Туришев. Обсуждая ее с другими физиками и баллистиками (космонавигаторами), мы пришли к выводу, что, прежде чем ставить вопрос всерьез, нужно сопоставить наблюдения с иной, независимой компьютерной моделью движения космических зондов. К работе присоединились Ф. Лаинг и А. Лиу, создатели программы космической навигации для Аэроспейс Корпорейшн.

По программам Лаборатории реактивного движения и Аэроспейс Корпорейшн были проанализированы данные наблюдений, полученных с января 1987 г. по июль 1995 г. После исключения всех возможных влияний на полет аппаратов осталось немоделируемое ускорение, присутствующее в движении обоих аппаратов "Пионер". Результат был опубликован в 1998 г. DSN в течение еще трех лет продолжала наблюдения, что позволило пополнить исследования.

Итак, наше заключение: после учета известных источников ошибок все еще остается аномальное ускорение (8.74 ± 1.25) х 10^-8 см/с², направленное к Солнцу. Мы подчеркиваем — известных, потому что должны признать: наиболее приемлемым объяснением остается некая систематическая ошибка, вызываемая самим аппаратом. Но ни мы и никто другой из специалистов по астронавтике и конструкции аппаратов не смогли ее найти. Так что надо полагать: пришло время подумать над теоретическими и прикладными следствиями эффекта, считая его реальным.

Было предложено множество объяснений, и некоторые из них можно воспринимать всерьез.

Высказано несколько гипотез, имеющих отношение к "новой физике". Предложены механизмы: космологический, крупномасштабный, эффекты "гравитация — время". Означает ли обнаруженное явление в движении "Пионеров" какой-либо мелкомасштабный космологический феномен? Нужен детальный анализ проблемы, и мы намереваемся его провести.

М. Милгром предлагает изменить наше классическое понимание инерции и создать новый вариант "модифицированной ньютоновой динамики". В нем предполагается, что обычная сила тяготения на очень больших расстояниях уменьшается медленнее, чем по квадрату расстояния, и потому будет сильнее сказываться в областях, удаленных от Солнца.

В последнее время мы попытались найти подтверждение в информации о движении других космических аппаратов. К сожалению, "Вояджеры" продолжают инжектировать газ из систем стабилизации и пока непригодны для таких исследований. Мы проанализировали данные о полетах некоторых АМС, удалявшихся от Земли по гиперболе. Земное гравитационное поле хорошо изучено, что позволяет точно учесть его влияние. Когда все необходимые поправки были внесены, траекторные аномалии полета у "Галилео", "NEAR" и "Кассини", по-видимому, остались.

Сокращенный перевод статьи "The Strange Acceleration of Pioneer 10 and 11" из журнала "The Planetary Report", v. XXI, № 6, November/December 2001 выполнен B.A. Юревичем.