Dokumentationen und Diagramme zur Pioneer-Anomalie |
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Die Sonden Pioneer 10 und 11 sind seit 2. März 1972 bzw. 5. April 1973 unterwegs und zeigen seit Ende der 70er-Jahre eine anomale Beschleunigung, die auf Grund der sehr genauen Navigation der beiden Sonden entdeckt werden konnte, aber bis heute keine schlüssige Erklärung besitzt. Nach 15 Jahren führe diese Beschleunigung zu einem Abweichen von ca. einer Million km von der vorherberechneten Position.
Die Ansätze zum Verständis dieses ungewöhnlichen Effektes reichen von einer "neuen" Physik, über bisher unbekannte Manifestationen der Standardtheorie bis hin zu möglichen Messfehlern.
Eventuelle Unklarheiten über die verwendeten griechischen Symbole können hier beseitigt werden.
Am 2. März 1972 wurde Pioneer 10 mit Hilfe einer Rakete des Typs Atlas/Centaur/TE364-4 (Abb. 1) gestartet. Bei diesem Trägertyp kam dabei zum ersten Mal eine dritte Stufe zum Einsatz, welche der Sonde die notwendigen 51.810 km/h verliehen hat, um die Passage zum Jupiter zu schaffen. Damit wurde Pioneer zum damals schnellsten vom Menschen erzeugten Objekt, welches je die Erde verlassen hatte. 11 Stunden nach dem Start ist der Mond passiert worden, nach nur 12 Wochen kreuzte die Sonde das Marsorbit in 80 Millionen km Entfernung. |
An ihren am weitesten entfernten Enden gemessen ergibt sich ein Abstand von 2,9 m zwischen dem Horn der Rundstrahlantenne und dem Reflektor der Richtstrahlantenne. Der Durchmesser der Richtstrahlantenne beträgt 2,7 m, das Gewicht liegt bei 270 kg. Die Sonde erfährt durch kontinuierliche Rotation um die Achse der Richtstrahlantenne mit 5 Umdrehungen pro Minute eine Lagestabilisierung. |
Nach dem Rendevous mit Jupiter erforschte
Pioneer 10 die äußeren Regionen des Sonnensystems, den Sonnenwind
sowie die kosmische Strahlung in unserem Teil der Milchstraße. Bis
zum Missionsende am 31. März 1997 führte die Sonde noch zahlreiche
wertvolle Untesuchungen in den Außenbezirken des Sonnensystems durch.
Danach sind die schwachen Signale vom Deep Space Network als Teil einer
Konzeptstudie für nachfolgende instellare Sonden-Missionen noch öfters
verfolgt worden. Nach dem letzten erfolgreichen Kontakt am 7. Februar
2003 fiel die Leistung der Isotopenbatterien in weiterer Folge derart
ab, dass das Sondensignal unter die Nachweisgrenze gesunken ist. Vorhergehende
Kontaktversuche enthielten bereits keine Telemtrie-Daten mehr, welche
am 27. April 2002 zum letzten Mal übermittelt wurden. |
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Analog zu ihrer Schwestersonde erfoschte
auch Pioneer 11 die äußeren Regionen des Sonnensystems, den Sonnenwind
sowie die kosmische Strahlung in unserem Teil der Milchstraße. Am
30. September 1995 stellte man den wissenschaftlichen Betrieb der Sonde
ein, da durch die zusätzlichen Bahnmanöver beim Saturn mehr Teibstoff
verbraucht wurde als bei Schwestersonde, sodass ein Ausrichten der Sonde
Richtung Erde nicht mehr möglich war. Am 24. November 1995 flog Pioneer
11 nochmals durch den Sichtstrahl der Hauptantenne, sodass Telemtriedaten
empfangen weren konnten. Seit damals wurde kein Kontakt mehr hergestellt,
es ist nicht bekannt, ob die Sonde weiterhin sendet. Pioneer 11 fliegt in
Richtung des Sternbilds Adler
und wird in 4 Millionen Jahren dicht an einigen Sternen vorbeifliegen. |
Dr.
Carl Sagan [2] und Dr.
Frank Drake [3] entwarfen für die
Pioneer-Sonden eine Plakette, die der Kommunikation mit außerirdischen
Rassen dienen sollte. Sie besteht aus mit Gold galvanisiertem Aluminium,
misst 15,25 cm x 22,8 cm x 0,127 cm und wurde hinter der Hauptantenne
in einer Position fixiert (Abb. 10), die sie vor Erosion durch interstellaren
Staub schützen soll. |
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Links vom Zentrum findet man eine
Darstellung der Sonne in Bezug auf 14 Pulsare
und das galaktische
Zentrum, welches durch die horizontale Linie ohne Querstriche dargestellt
ist. Die Querstriche auf den übrigen Linien kennzeichnen binäre
Zeiteinheiten, was aus der dargestellten Genauigkeit abgeleitet werden soll
(10 dezimale Nachkommastellen sind weniger für stellare Distanzen als
viel mehr für Zeitwerte sinnvoll). Von der abgeleiteten Zeiteinheit
des Wasserstoffatoms sollten intelligente Lebensformen folgern können,
dass alle dargestellten Zeiten in 1/10 Sekunden vorliegen, womit nur Pulsare
als Objekte in Frage kommen. Da sich die Periodendauern von Pulsaren wohldefiniert
verringern, kann man diese Himmelskörper als galaktische Uhren verwenden.
Eine fortgeschrittene Zivilisation sollte in der Lage sein, aus den auf
der Plakette dargestellten Periodendauern das Ursprungssystem der Sonde
zu indentifizieren, selbst wenn diese schon Milliarden Jahre unterwegs sein
sollte. |
Literaturverzeichnis:
Offizielle NASA-Seiten zur Pioneer-Mission
NASA History Office Pioneer Odyssey
[1]: H. Mielke (Hrsg.): Lexikon Raumfahrt, transpress-Verlag, Berlin (1975) Lexikon Raumfahrt
[2]: C. Sagan: Signale der Erde, Droemer-Knaur-Verlag, München (2000) ISBN 3426260204
[3]: F. Drake u. D. Sobel: Signale von anderen Welten, Knaur-Verlag, München (1998) ISBN 3860477692
Pioneer 10 und 11 waren die ersten menschlichen
Sonden, welche das äußere Sonnensystem erforschen und zugleich
nach dem sogenannten Planet
X suchen sollten. Diese Vorgabe sowie die Swing-By-Manöver an
Jupiter und Saturn erforderten als unabdingbare Voraussetzung eiine ausgesprochen
genaue Navigation, die wiederum erst die Entdeckung der Pioneer-Anomalie
ermöglichte. |
Unmittelbar nach dem Empang des Signals sendet die Sonde ein mit dem oben
erwähnten Faktor konvertiertes Signal zurück, sodass dieses
auf der Erde mit Frequenz |
Vergleicht man nun diese gemessene Frequenzdifferenz
mit der berechneten Variante, welche sich aus den Bahndaten und der gravitativen
Wechselwirkung der Massen im Sonnensystem (Gravitationsfelder der Sonne,
der Planeten und Asterioden) sowie der Interaktion mit verschiedenen anderen
Erscheinungen (etwa Sonnenwind und interplanetarer Staub) ergibt, bemerkt
man seit 1979 eine ungewöhnliche Abweichung zwischen Theorie und
Messung, die sich in einer Blauverschiebung des Dopplersignals Δν
äußert. Eine genauere Analyse der Daten für die Zeit zwischen
1987 und 1998 [4,5] ergab zusätzlich eine zeitliche Veränderung dieser
Blauverschiebung (Abb. 13), die sich zu |
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Münzt man dieses Ergebnis auf Geschwindigkeiten um, erhält man
eine konstante Abbremsung (Abb. 14), die den Namen Pioneer-Anomalie
erhalten hat und zu |
Dieser auf den ersten Blick zahlenmäßig klein erscheinende Wert beträgt ca 10-5 der Sondenbeschleuinigung durch Newtonsche Dynamik und liegt um Größenordnungen über den relativistischen Korrekturen, die im Bereich zwischen 10-8 und 10-10 anzutreffen sind. In 15 Jahren ergibt sich so eine Abweichung von ca. 1 Million km von der vorherberechneten Position. |
Literaturverzeichnis:
[4]: H. Dittus u. C. Lämmerzahl: Physik Journal, Jänner 2006, S. 25
[5]: J. D. Anderson et al., Phys.
Rev. Lett. 81, 2858 (1998) arXiv:gr-qc/9808081
[6]: J. D. Anderson et al., Phys.
Rev. D 65, 082004 (2002) arXiv:gr-qc/0104064
Über die 3 m große Hauptantenne sind während der gesamten Sondenlebensdauer Funksignale mit 8 W Leistung abgesendet worden, was auf die Sonden eine Rückstoß von 15% der Anomalie weg von der Sonne (die Hauptantenne zeigt immer in Richtung Erde) und damit gegen die Richtung der Beschleunigung auf Grund der Pioneer-Anomalie bewirkt. |
Für die Beschreibung der Sondenbahnen wurden die gravitativen Einflüsse von Sonne, Planeten, Mond und größeren Asteroiden sowie Kometen berücksichtigt (Hperfein-Potential von Einstein-Infeld-Hoffmann [7]) ebenso wie der Einfluss der gravitativen Laufzeitverzögerung für Radiosignale im Gravitationsfeld von Sonne, Mond und Planeten. |
Literaturverzeichnis:
[7]: A. Einstein, L. Infeld und B. Hoffmann, Annals Math. 39, 65 (1938)
Aus der Berücksichtigung von Materialeigenschaft, Masse und effektiver Fläche der Sonde ergibt sich eine korrigierte Beschleunigung (Abb. 15) auf Grund von Sonnenwind und Sonnenstrahlung. Es fällt auf, dass der solare Strahlungsdruck für Entfernungen größer als 15 AE deutlich kleiner als die gemessene Pioneer-Anomalie ist, eine Abschätzung der Ungenauigkeiten bei der Berechnung dieses Beschleunigungseffektes liefert ca. 2% der Anomalie als möglichen maximalen Fehler. |
Üblicherweise werden Sondenbewegungen in baryzentrischen Koordinaten beschrieben, die durch das ICRF (International Celestial Reference System) festgelegt sind und durch die Berücksichtigung von 212 extragalaktischen Quellen als quasi-stationär angesehen werden können. Alle sondenbezogenen Messungen erfolgen über das DSN und unterliegen damit der gesamten Erdbewegung (Präzession,
Nutation, Rotation, Polbewegung,
Gezeitenkräfte, Tektonik), deren genaue Daten vom IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) und EOP (Earth Orientation Parameters) übernommen werden. LLR (Lunar Laser Ranging),
SLR (Satellite Laser Ranging) und VLBI (Very Long Baseline Interferometry) liefern Daten zur Unregelmäßigkeiten und Abbremsung der Erdrotation. |
Alle bisher durchgeführten Untersuchungen lassen keinen systematischen Einfluss zur Erklärung des Bobachtunsbefundes erkennen, wohl auch deshalb, weil die meisten Effekte zeitabhängig sind und damit der Konstanz der Anomalie widersprechen. |
Untersucht man den Wert der Anomalie genauer, lässt sich eine erstaunliche Übereinstimmung desselben mit dem Produkt aus der Hubble-Konstante und der Lichtgeschwindigkeit feststellen, womit eventuell ein Bogen zur kosmischen Expansion gespannt werden kann. Eine derartig exotische Wirkung würde neben der Sonde und deren Signale mit dem Doppleermechanismus auch das gravitative Feld der Sonne und die Planetenbahnen beinflussen. Es gibt einige Versuche, den Einfluss der kosmischen Expansion auf das Sonnensystem abzuschätzen (etwa Einstein und Straus [8]), wobei der denkbare Einfluss in fast allen Fällen weit unter der Nachweisgrenze liegt, sodass de facto von einem größenmäßig konstanten Sonnensystem ausgegangen werden kann. |
Literaturverzeichnis:
[8]: A. Einstein und E. G. Straus, Rev. Mod. Phys. 17, 120 (1945)
[9]: J. D. Anderson und B. Mashhoon, Phys. Lett. A 315, 199 (2003)
[10]: D. Bini, C. Cherubini und B. Mashhoon, Phys. Rev. D 70, 044020 (2004)
Milgrom schlägt eine Modifikation des Newtonschen Gravitationsgesetzes vor [11], welche sehr erfolgreich die Rotationskurven von Galaxien erklärt. Diese phänomenologische Anpassung der Beschleunigung ergibt sich zu a2=a0aNewton, wobei a0 eine charakteristische Beschleunigung ist, unterhalb welcher die Modifikation zur Anwendung kommt. a0 ergibt sich aus astrophysikalischen Messungen und ist, wie schon weiter oben gefunden, wieder von der Größenordnung des Produktes aus Hubble-Konstante und Lichtgeschwindigkeit und damit der Anomalie. |
Literaturverzeichnis:
[11]: A. Einstein und E. G. Straus, Rev. Mod. Phys. 17, 120 (1945)
[12]: I. Antoniadis in: D: Giuliani, C. Kiefer und D. Lämmerzahl (Hrsg.), Quantum Gravity (2003), S. 337
[13]: L. Nottale, arXiv:gr-qc/0307042
[14]: J. P. Mbelek , arXiv:gr-qc/0402088
[15]: Literaturlinks unter http://www.space-time.info/pioneer/pioanomlit.html
Zur endgültigen Klärung des Beobachtungsbefundes ist neben weiteren Untersuchungen und vertiefter Analyse der vorhandenen Daten auch die Beschaffung von neuen Daten ausschlaggebend, welche etwa bei der ESA in Form der Sondenmission "Deep Space Gravity Probe" [16], welche neben der Aufklärung der Pioneer-Anomalie auch ein tieferes Verständnis der Astrophysik und Kosmologie zum Ziel hat. |
Literaturverzeichnis:
[16]: H. Dittus et. al. , arXiv:gr-qc/0506139
Die folgende Bücherliste gibt Hinweise auf interessante und empfehlenswerte Titel aus dem Umfeld der Pioneer-Sonden:
Max Born, Springer-Verlag: Die Relativitätstheorie Einsteins. Kommentiert und erweitert von Jürgen Ehlers und Markus Pössel. |
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Kein geringerer als Max Born persönlich führt auf der Basis einer mathematisch-physikalischen Vorbildung auf gymnasialem Oberstufenniveau in die wohl wichtigste Theorie des 20. Jahrhunderts ein. Ein Muss für all jene, welche verstehen wollen, wie die theoretischen Grundlagen der Atombombe aus den "vorrelativistischen Äthertheorien" hervorgegangen sind. Jetzt bestellen! |
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