Sin duda, volar al espacio profundo traerá muchos misterios, que no podremos resolver en mucho tiempo. Y esto no es de extrañar. Tan pronto como los primeros mensajeros de la Tierra pasaron las órbitas de los planetas gigantes, el espacio inmediatamente nos dio un problema. Y para solucionarlo, incluso se propuso corregir las leyes de la física.
Pioneros
Los programas de exploración espacial de Estados Unidos siempre han tenido nombres rotundos y metas ambiciosas. Bajo el programa Mercury, los estadounidenses realizaron sus primeros vuelos tripulados y crearon el primer cuerpo de astronautas. En el curso del próximo programa de Géminis, se desarrollaron métodos de encuentro y acoplamiento en órbita. El tercer programa de vuelos espaciales tripulados fue el notorio programa Apolo. Su objetivo eran los vuelos tripulados a la luna. Pero para el estudio del espacio interplanetario y los cuerpos celestes, se lanzó el programa Pioneer.
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Como parte de sus misiones, Estados Unidos envió varias sondas de investigación al espacio entre 1958 y 1978. La nave espacial voló hacia el Sol, Venus y la Luna, investigó los cometas que se nos acercaban. "Pioneer-3" descubrió el segundo cinturón de radiación de la Tierra y "Pioneer-7" participó en el estudio del cometa Halley. Hoy, dos naves espaciales del programa son bien conocidas. Se trata de las sondas Pioneer-10 (lanzadas en marzo de 1972) y Pioneer-11 (abril de 1973), una de las últimas lanzadas.
Sonda "Pioneer-10" en proceso de montaje
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Más tarde, la NASA lanzó otros programas de investigación. Con sondas nuevas y más avanzadas. En 1977, ya en el marco del programa Voyager, Voyager 1 y Voyager 2 fueron enviados a los planetas distantes del sistema solar. Y en 2003, se lanzó el programa New Frontiers, dentro del cual New Horizons, Juno y OSIRIS-REx salieron al espacio. Pero en la década de los 50, cuando el programa apenas comenzaba, sus dispositivos en Estados Unidos eran considerados pioneros del espacio, y por eso se les llamó "Pioneros". Pioneer 10 y Pioneer 11 fueron las primeras naves espaciales en volar a través del cinturón principal de asteroides y las primeras en estudiar Júpiter a corta distancia.
Los Pioneers podrían haber sido los primeros en ir más allá del sistema solar, pero en 1998 el Voyager 1 más rápido superó al Pioneer 10, que tenía el maillot amarillo del líder en esta gira por el sistema solar.
Anomalía
Por primera vez se descubrió una anomalía en la trayectoria de vuelo de las sondas en la década de 1980. En ese momento, las sondas ya han completado su misión principal. Pioneer 10 voló cerca de Júpiter en diciembre de 1973, especificando su masa y midiendo su campo magnético. Pioneer 11 se acercó al planeta exactamente un año después: en diciembre de 1974. Después de tomar fotografías detalladas, fue a Saturno. En 1979, el dispositivo transmitió imágenes del planeta y su satélite Titán a la Tierra.
La misión principal terminó, pero se decidió utilizar los datos del seguimiento de la trayectoria de vuelo de la nave espacial Pioneer-10 para buscar, como todavía se suponía, el décimo planeta del sistema solar. Y ahora es el noveno (después de la degradación en Plutón). Si hubiera una desviación en la trayectoria, entonces, como creían los científicos, esto sería una consecuencia de la gravedad de un planeta no descubierto. Se encontró la desviación, pero la causa de esta anomalía no fue de ninguna manera un planeta en el borde del sistema solar. Pero, lo que es más interesante, la anomalía se encontró posteriormente en la sonda gemela.
Ilustración de la salida de "Pioneers" y "Voyagers" fuera del sistema solar
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Hoy, los vehículos vuelan en diferentes direcciones. Pioneer 10 se mueve hacia el borde de la Vía Láctea, en dirección a la constelación de Tauro. Su gemelo, en cambio, está hacia el centro de la Galaxia, hacia la constelación del Escudo. Debe entenderse que ambas sondas están ahora en vuelo libre. Solo la aceleración y las fuerzas externas obtenidas previamente afectan el vuelo de la nave espacial. Las fuerzas son gravitacionales y no gravitacionales.
Entre los no gravitacionales, por ejemplo, la presión de la radiación solar, provocando una aceleración dirigida desde el Sol. Y la gravedad del Sol, por el contrario, empuja a los vehículos hacia la estrella, provocando una aceleración dirigida hacia el Sol, es decir, los frena. Todas las fuerzas que pueden afectar el vuelo de la nave espacial se calculan y se tienen en cuenta. Excepto por uno. Una fuerza desconocida e incomprensible hace retroceder las sondas. Ella es la razón del acertijo de los "Pioneros". El poder es insignificante, pero está ahí. Los últimos cálculos, obtenidos en 2002, indican que la magnitud de la aceleración negativa inexplicable es (8,74 ± 1,33) 10–10 m / s2.
Esto es insignificante, pero ya ha provocado una desviación de los vehículos en unos 400 mil kilómetros de la trayectoria calculada. Parecería que las sondas han volado miles de millones de kilómetros. En el momento de la pérdida de comunicación con "Pioneer-10" (23 de enero de 2003), estaba a más de 12 mil millones de kilómetros de nosotros. Son 82 unidades astronómicas, es decir, 82 distancias de la Tierra al Sol. La comunicación con "Pioneer-11" se perdió el 30 de septiembre de 1995, el dispositivo ya estaba a una distancia de 6.5 mil millones de kilómetros del Sol, o 43 UA. mi.
¿Y qué son estos cientos de miles en comparación con miles de millones de kilómetros? Pero para la ciencia, estos valores insignificantes pueden ser de gran importancia. La desviación de la norma, de la comprensión habitual de las cosas, es decir, las anomalías pueden indicar la presencia de algo significativo, pero aún no descubierto. Además, en astrofísica.
Una anomalía en el movimiento de Urano llevó al descubrimiento de un nuevo planeta: Neptuno. La anomalía en el movimiento de Mercurio, descubierta en 1859, solo fue explicada por la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que desarrolló en 1915. La solución a la anomalía de los "Pioneros" puede poner patas arriba la física moderna o, por el contrario, ser bastante trivial. Es por eso que persigue a muchos científicos.
Puede surgir la pregunta: ¿cómo calcularon los científicos la velocidad y, en consecuencia, la aceleración de los vehículos? Las sondas no han estado disponibles para la observación durante mucho tiempo. Ni el Hubble ni ningún otro telescopio podrán ver las sondas alejándose de nosotros. El control de velocidad de las sondas se lleva a cabo midiendo el desplazamiento de frecuencia Doppler de la señal de radio, que se envía en la dirección de la sonda y se recibe de ella. Se basa en el mismo efecto Doppler utilizado para determinar la velocidad de los vehículos. El efecto se manifestó en forma del llamado desplazamiento violeta, el desplazamiento de la señal de radio a la región de onda corta del espectro, lo que significa que las sondas empezaron a ralentizarse.
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Pero si estamos hablando de un efecto que puede afectar el movimiento de dos sondas, ¿también puede afectar a otras? Ya hemos dicho que hubo otros después del programa Pioneer. Pero los Pioneers están en vuelo sin correcciones de rumbo adicionales durante mucho tiempo. Pero los propulsores aún corrigen la trayectoria de vuelo y la orientación de otras sondas. Por lo tanto, no se pueden realizar mediciones precisas del efecto, si lo hubiera.
Posibles causas de la anomalía
A lo largo de los años que se han dedicado a encontrar soluciones a este acertijo, se han presentado muchas suposiciones. Y el primero son los errores en las observaciones e interpretación de los datos obtenidos. Pero fue abandonado casi de inmediato. La anomalía se atribuyó a varias razones. Frenado en medio interplanetario (polvo, nubes de gas, etc.). La atracción gravitacional de los objetos del cinturón de Kuiper. Fugas de gas, como helio, utilizado como fluido de trabajo en generadores de radioisótopos. La razón también se buscó en las fuerzas electromagnéticas provocadas por la carga eléctrica acumulada de las sondas. Y, por supuesto, se atribuyó a la influencia de la materia oscura o la energía oscura. No sin sugerencias para corregir la física existente. Las suposiciones anteriores proporcionaron una explicación no gravitacional del efecto. En 1983, el físico israelí Mordechai Milgrom propuso la llamada teoría de la dinámica newtoniana modificada (MOND). Ella es un ejemplo de una teoría alternativa de la gravedad. Según MOND, cuando se trata de cuerpos que se mueven con una aceleración extremadamente baja, es necesario corregir la mecánica newtoniana.
Sin embargo, parece que se ha encontrado la razón de la aceleración anómala de los "Pioneros". Pero primero, digamos un poco sobre el diseño de los dispositivos. Las sondas están equipadas con instrumentos científicos y una antena parabólica con un diámetro de 2,75 metros para la comunicación con la Tierra. Todo este equipo necesitaba suministro de energía. Mira la construcción de los Pioneros. ¿Ves paneles solares familiares para los satélites en él? No. Para las naves espaciales que exploran los planetas distantes del sistema solar, los paneles solares no tienen sentido. A medida que se adentra en el espacio, la intensidad de la radiación solar disminuye. La energía del sol ya no es suficiente para el funcionamiento de las células solares.
Diagrama del aparato "Pioneer-10"
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A diferencia de las sondas que vuelan a los planetas interiores de nuestro sistema, los generadores termoeléctricos de radioisótopos que utilizan plutonio-238 se instalan a bordo para vuelos a Júpiter, Saturno y otros planetas distantes. Estos no son reactores nucleares. Funcionan de forma diferente. Los generadores de radioisótopos utilizan energía térmica, que se libera durante la desintegración natural de los isótopos radiactivos y, mediante un generador termoeléctrico, la convierten en electricidad. El plutonio-238 es precisamente un isótopo radiactivo, cuya desintegración alimenta el equipo a bordo de las sondas. Cada sonda tiene cuatro generadores, que están fijados en dos varillas estabilizadoras de tres metros, lejos de los instrumentos científicos del aparato.
Se formó un equipo de investigación en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la Agencia Aeroespacial Nacional de EE. UU. Para estudiar la anomalía de los Pioneros. Fue dirigido por nuestro compatriota, un graduado del Departamento de Física de la Universidad Estatal de Moscú Vyacheslav Turyshev. Los investigadores pudieron construir un modelo matemático que explica la aceleración anómala de los "Pioneros" al menos en un 70%. En su opinión, el punto está en los flujos de calor provenientes de la sonda en diferentes direcciones. Y la principal fuente de calor son los generadores de radioisótopos, que suministran energía a los equipos a bordo. El calor se generó por el funcionamiento de los instrumentos. A medida que se apagaban los instrumentos, se gastaba más y más energía en calentar las sondas. El calor se irradió al espacio. Fue la fuerza del retroceso de la radiación térmica la que se subestimó al calcular la trayectoria de vuelo estimada. Sin embargo, la presión de radiación térmica es desigual. En vuelo, las sondas se estabilizan girando alrededor del eje longitudinal. El calor irradiado perpendicular al eje longitudinal se disipa en todas direcciones de manera uniforme y no afecta el movimiento de las sondas. Pero también hay radiación a lo largo del eje. E irradia de manera desigual. Los cálculos han demostrado que el flujo de calor irradiado en la dirección de movimiento de los vehículos da un retorno mayor que el que va en sentido contrario, es decir, lo domina y provoca el efecto de frenado.es decir, lo domina y provoca un efecto inhibidor.es decir, lo domina y provoca un efecto inhibidor.
Vista trasera de la antena transmisora
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Pero, ¿cuál es la razón del 30% restante? Quizás los físicos del Instituto Portugués de Plasma y Fusión Nuclear lograron encontrar una explicación. Siguieron el mismo camino que el grupo de Turyshev. Pero prestamos más atención a la antena transmisora de las sondas, que, recordamos, tiene un diámetro de casi tres metros. Habiendo realizado nuevos cálculos basados en su modelo matemático de las sondas, llegaron a la conclusión de que la radiación térmica reflejada desde la parte posterior de la antena da el mismo impulso perdido.
Bueno, el misterio que perseguía a los científicos parece estar resuelto. La humanidad continúa explorando el espacio. Para nuevos acertijos y una emocionante búsqueda de sus soluciones.
naturalphilosophy.org
Sergey Sobol
