Pioneer-Effekt

Die Pioneer-Anomalie ist ein leichtes Abweichen der 1972 und 1973 gestarteten baugleichen NASA-Sonden Pioneer 10 und Pioneer 11 von deren berechneten Flugbahnen, genauer: eine konstante Abbremsung der Sonden auf ihren Bahnen, die sie aus dem Sonnensystem hinausführen sollen. Dieses Phänomen ist trotz einiger Forschung dazu bisher wissenschaftlich ungeklärt. Diskutiert wird eine ganze Bandbreite von Erklärungen: von so einfachen Effekten wie einem Schub durch austretendes Gas bis hin zu einem bislang unbekannten physikalischen Effekt.

Bahnen der Pioneer-Sonden

Beschreibung des Effekts

Der Effekt fiel um 1980 auf, als die Pioneer-10-Sonde etwa 20 Astronomische Einheiten von der Erde entfernt war. Es wurde beobachtet, dass die Sonde mit einer konstanten Beschleunigung unbekannter Herkunft von (8,74±1,33) · 10⁻¹⁰ m/s² zur Sonne hin^[1] abgelenkt wird. Dies entspricht etwa 10⁻⁵ der Beschleunigung durch die Gravitation des Sonnensystems und führt über einen Zeitraum von 15 Jahren zu einer Abweichung von circa 100.000 Kilometern (etwa 0,0007 Astronomischen Einheiten) von der berechneten Position.

Zu dieser Zeit war der bekannte und in den Berechnungen berücksichtigte Druck, den die Sonnenstrahlung auf die Sonden ausübt, auf etwa 4 · 10⁻¹⁰ m/s² gesunken. Erst dadurch wurde die unerklärliche Beschleunigung messbar, die vorher im variablen Strahlungsdruck unterging. Die Abweichung von den berechneten Werten wurde bei den Messungen des Dopplereffekts an den von den Sonden zurückgesendeten Radiosignalen (zur Geschwindigkeitsbestimmung) auffällig und durch die Messungen der Laufzeiten der Signale (zur Entfernungsbestimmung) bestätigt.

Die Anomalie wurde jedoch zunächst nicht ernst genommen und als zufälliger Fehler interpretiert. Erst 1994, als der Effekt nicht verschwand, wurde er genauer untersucht. Dabei wurden von den Sonden Pioneer 10 und Pioneer 11 – die sich in die nahezu entgegengesetzte Richtung voneinander entfernt hatten und deren Daten den bis auf höchstens drei Prozent Unterschied gleichen Effekt zeigten – die Bahnwerte systematisch auf mögliche Ursachen hin analysiert, ohne dass ein vollständiges Erklärungsmodell gefunden werden konnte.

Andere Sonden

Die Pioneer-Sonden waren die ersten vom Menschen geschaffenen Objekte, die das Sonnensystem verlassen haben. Daher ist es auch nicht verwunderlich, dass die beobachtete Anomalie bei ihnen als erstes bemerkt wurde. Aufgrund anderer stärkerer Beschleunigungen in Sonnennähe (wie der erwähnte Sonnenwind) ist die Anomalie erst in großen Entfernungen messbar. Daher kann bei geoorbitalen Satelliten und Mondsonden keine Abweichung festgestellt werden.

Es wird aber berichtet, dass derselbe Effekt sich inzwischen auch bei der Jupitersonde Galileo und der europäisch-amerikanischen Sonnensonde Ulysses zeigt, obwohl für diese die Daten weniger präzise und allein nicht allzu aussagekräftig sind. Ein weiterer Aspekt, warum die Pioneer-Sonden gutes Datenmaterial liefern, ist deren einfache gyroskopische Fluglagenstabilisation, die leicht vorhersehbar und berechenbar ist und sich damit als mögliche Fehlerquelle leicht ausschließen lässt. Neuere Langstreckensonden wie zum Beispiel die oben erwähnten Galileo und Ulysses oder auch die beiden Voyager-Sonden sind 3-Achsen-stabilisiert, wodurch die Einflüsse der Lageregelung durch die Steuerdüsen häufiger und weniger präzise herauszurechnen sind.

Die gefunkten Daten der Pioneer-Sonden wurden vor 1987 noch nicht digital erfasst. Erst nach einer gründlichen Auswertung dieser ungeordneten Werte kann eine sondenspezifische Ursache der Anomalie möglicherweise weitgehend ausgeschlossen werden.

Erklärungen für den Effekt

Als mögliche Erklärungen werden in Betracht gezogen:

• Daten- und Rechenfehler jeglicher Art
• Effekte der Sonde selbst wie
  • Rückstoß von aus den Treibstofftanks austretendem Gas
  • elektromagnetische Kräfte aufgrund elektrischer Ladung der Sonde
  • räumlich ungleichmäßige Wärmeabstrahlung gespeist von der Plutonium-Energiequelle
  • ungleichmäßige Alterung der Sondenoberfläche, was in einer ungleichmäßigen Wärmeabstrahlung resultiert
• Effekte des Sonnensystems wie
  • Gravitationskräfte des Kuipergürtels
  • Reibungswiderstand durch interstellare Materie
  • Einschläge von Mikrometeoriten
  • ungenaue Modelle der solaren Strahlung und des Sonnenwindes
• grundlegend neue Effekte wie
  • Gravitationseffekt von Dunkler Materie
  • Modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND)
  • Machsches Prinzip

Die sondenspezifischen Effekte sind zwar sehr gut untersucht, jedoch kann eine Erklärung durch Gaslecks oder eine nicht-isotrope Wärmeabstrahlung weiterhin nicht völlig ausgeschlossen werden. So schreibt eine Gruppe um Wissenschaftler des Jet Propulsion Laboratory in ihrer ausführlichen Analyse: „Bis mehr bekannt ist, müssen wir zugeben, dass die wahrscheinlichste Ursache des Effekts eine unbekannte systematische ist. (Wir selbst sind geteilter Ansicht darüber, ob ‚Gaslecks‘ oder ‚Wärme‘ diese ‚wahrscheinlichste Ursache‘ ist.)“^[2]

Als mögliche externe Effekte kommen Gravitationseffekte durch eine ungewöhnliche Massenverteilung im Kuipergürtel oder Reibung durch interstellare Materie in Frage. Die bisherigen Messdaten für Bereiche außerhalb des Sonnensystems deuten jedoch darauf hin, dass die Dichte des interstellaren Mediums und des Staubs im Kuipergürtel um mehrere Größenordnungen zu niedrig ist, um den Effekt erklären zu können. Neben den oben genannten Effekten können bisher unberücksichtigte Vorhersagen der bekannten Physik eine Rolle spielen – so wurde erst 2003 eine Bremswirkung durch eine Spin-Rotations-Kopplung gefunden. Diese ist jedoch um einen Faktor 10.000 zu klein, um den Effekt erklären zu können.

Einige Wissenschaftler sehen in der Anomalie einen Hinweis auf eine „neue Physik“, die nicht durch die etablierten Standardtheorien erklärbar ist. Ein Ansatz hierzu ist die modifizierte Newtonsche Dynamik, da diese eine anomale Beschleunigung der Sonden in der beobachteten Größenordnung liefern würde.

Die Größe der Beschleunigung entspricht im Rahmen der Messgenauigkeiten dem Produkt aus der Lichtgeschwindigkeit und der Hubble-Konstanten.^[3] Ob diese Übereinstimmung mit der Bahnanomalie zusammenhängt, wird derzeit ebenfalls diskutiert.

Medien

Die Wissenschaftszeitschrift New Scientist hat im März 2005 in einem Artikel die Pioneer-Anomalie als eines der 13 wichtigsten Rätsel der Wissenschaft aufgeführt.^[4]

Auch das Physik Journal beschäftigt sich in seiner Ausgabe vom Januar 2006 mit der Anomalie.^[3] Dort wird ein Messfehler ebenfalls mit großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen.

Siehe auch

Ein ähnliches ungeklärtes Phänomen ist die sogenannte Fly-by-Anomalie. Wissenschaftler spekulieren, dass beide Anomalien einen gemeinsamen Grund haben könnten.^[5]

Einzelnachweise

1. ↑ Die genaue Richtung kann im Rahmen der Messgenauigkeit zum Beispiel auch die zur Erde hin, die der Rotationsachse der Sonde oder die entgegen der Bewegungsrichtung der Sonde sein.
2. ↑ John D. Anderson et al: Study of the anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11, gr-qc/0104064, arXiv.org, 2001–2005 (englisch)
3. ↑ ^{a b} Hansjörg Dittus, Claus Lämmerzahl: Die Pioneer-Anomalie, Physik Journal, Januar 2006 (PDF, kostenlose Registrierung erforderlich)
4. ↑ Michael Brooks: 13 things that do not make sense, New Scientist, 19. März 2005 (englisch)
5. ↑ Guido Meyer: Mysteriöse Kraft wirft Raumsonden aus der Bahn, Spiegel Online, 12. März 2008.

Literatur

• Claus Lämmerzahl: The Pioneer Anomaly or Do We Really Understand the Physics Within the Solar System? (Folien, PDF, 6,2 MB), Vortrag Universität Magdeburg, 17. Januar 2007 (englisch)
• Michael Martin Nieto, John D. Anderson: Search for a Solution of the Pioneer Anomaly, 0709.3866 [gr-qc], arXiv.org, 25. September 2007 (englisch)
• Michael Martin Nieto, Slava G. Turyshev: Finding the origin of the Pioneer anomaly, gr-qc/0308017, arXiv.org, 18. Juni 2004 (englisch)
• Oliver Preuss, Hansjörg Dittus und Claus Lämmerzahl: Überraschungen vor der Haustür, Sterne und Weltraum 46 Nr. 4, April 2007, S. 26–36
• Slava G. Turyshev: The Pioneeer Anomaly: Effect, New Data and New Investigation (Folien, PDF, 7,2 MB), American Physical Society Meeting, St. Louis, Missouri, 13. April 2008 (englisch)

Weblinks

• Dokumentationen und Diagramme zur Pioneer-Anomalie, www.safog.com, 11. Januar 2008
• The Pioneer Explorer Collaboration, Interdisziplinäres Forschungsprojekt zur Pioneer-Anomalie (englisch)
• Die Pioneer-Anomalie, Der Orion, 4. März 2008