fizyka.org :: mamy 21 lat!

Strona główna Teoria Zadania Wzory Forum SzukajFAQ O nas

Strona główna > Artykuły - Fizyka > Sondy kosmiczne Pioneer

Wariacje grawitacji

Wystrzelone 33 lata temu sondy kosmiczne Pioneer lecą niezupełnie tak, jak przewidywano. Czyżby ujawniło się nieznane dotąd oblicze grawitacji?

Data 2 marca 1972 r. była jedną z najważniejszych w dziejach podboju kosmosu. Wtedy to na szczycie potężnej rakiety Atlas Centaur wyniesiony został w kosmos próbnik Pioneer 10 – pierwsze dzieło ludzkich rąk, które miało opuścić granice Układu Słonecznego, by po dwóch milionach lat lotu dotrzeć w okolicę gwiazdy w gwiazdozbiorze Byka. Trzy miesiące później w jego ślady poleciał Pioneer 11, którego ostatecznym celem, po czterech milionach lat lotu, miał być gwiazdozbiór Orła. Do obu sond przymocowano plakietki przedstawiające mężczyznę i kobietę na tle rysunku próbnika, które miały wskazać obcym, że twórcą próbników jest cywilizacja zamieszkująca trzecią planetę Układu Słonecznego.

Jednak nie kontakt z obcymi czy pierwszy w dziejach ludzkości lot do gwiazd były zasadniczym celem misji Pioneerów. W grudniu 1973 r. jedna z sond minęła w odległości nieco ponad 100 tys. km Jowisza, największą planetę Układu Słonecznego. Wykonała wtedy znakomitej jakości zdjęcia oraz badania, które dowiodły, że powierzchnią tej planety jest wielki ocean. Pioneer 11 zbliżył się do Jowisza na niewiele ponad 40 tys. km (na takiej wysokości nad Ziemią krążą tzw. satelity geostacjonarne będące podstawą globalnych systemów łączności i telewizji nadawanej z orbity), a potem poleciał na spotkanie z następną planetą, Saturnem, fotografując jego powierzchnię, pierścienie i księżyce.

Oba Pioneery przesyłały na Ziemię dane przez wiele kolejnych lat, eksplorując zewnętrzne obszary Układu Słonecznego. Pioneer 11 zamilkł we wrześniu 1995 r., zaś ostatni kontakt z Pioneerem 10 miał miejsce w kwietniu 2002 r. W chwili wysyłania ostatnich sygnałów oba próbniki znajdowały się w odległości od Słońca osiemdziesięciokrotnie większej niż Ziemia, kilkakrotnie dalej niż Pluton. I właśnie ta odległość oraz długi okres sprawności urządzeń nawigacyjnych pozwoliły uczonym dokonać sensacyjnej obserwacji: Pioneery nie były tam, gdzie być powinny zgodnie z prawami rządzącymi przyrodą, według naszej obecnej wiedzy. Trajektoria obu sond odchyliła się od przewidzianej teoretycznie o kilkaset tysięcy kilometrów. Co więcej – okazało się, że przyczyną tego odchylenia jest nieznana dotychczas, skierowana ku Słońcu, niewielka stała siła.

Na początku lat osiemdziesiątych John Andersen, fizyk z Jet Propulsion Laboratory, pierwszy zwrócił uwagę na dziwne zachowanie Pioneerów. Analizując dane nadchodzące z obu sond Andersen zauważył, że z torami ich lotu jest coś nie w porządku: Pioneery leciały coraz wolniej. Początkowo przyjął najbardziej prawdopodobną hipotezę: możliwą przyczyną odchylenia od przewidywanej trajektorii jest błąd w rachunkach, nieuwzględnienie wpływu planet, a może samo funkcjonowanie zainstalowanych na ich pokładzie urządzeń? Trwające wiele kolejnych lat analizy pokazały jednak, że wszystkie te przypuszczenia są błędne. Obliczenia powtórzono wielokrotnie, analizowano różnorakie możliwości, jak efekty spowodowane rozgrzewaniem baterii jądrowej zasilającej próbniki czy ciśnienie wywierane na sondy przez odbierane i wysyłane sygnały radiowe, ale żadna z nich nie mogła być odpowiedzialna za zmianę trajektorii.

Po ponad dwudziestu latach żmudnej pracy w 2002 r. Andersen z paroma współpracownikami opublikował wyniki swoich badań w jednym z najbardziej prestiżowych periodyków fizycznych „The Physical Review”. Chociaż wciąż oficjalnie głównym podejrzanym jest niezauważony efekt związany z działaniem urządzeń pokładowych, przesłanie artykułu jest proste: anomalne zachowanie Pioneerów wydaje się świadczyć, że coś dziwnego dzieje się z grawitacją!

Siła grawitacji jest najlepiej znaną z codziennego doświadczenia i jednocześnie najbardziej tajemniczą ze wszystkich sił, które obserwujemy w przyrodzie. W XVII w. Isaac Newton zapisał się na zawsze w historii nauki, wyjaśniając, że przyczyną spadania jabłka i ruchu Ziemi dookoła Słońca jest ta sama siła grawitacji. Trzy wieki później Albert Einstein zrozumiał, tworząc tym samym podwaliny współczesnej astrofizyki i kosmologii, że grawitacji odpowiada zakrzywienie przestrzeni i czasu. Ale obie te wielkie teorie, Newtona i Einsteina, stają się wobec anomalii lotu Pioneerów zupełnie bezradne. Coraz więcej fizyków skłonnych jest sądzić, że te anomalie są przejawem istnienia nowego, nieznanego oblicza grawitacji. Skłania ich do tego poglądu również fakt istnienia podobnego, niewytłumaczonego efektu już nie w świecie próbników kosmicznych, ale w znacznie większej skali: galaktyk i całego kosmosu.

Mniej więcej w tym samym czasie, kiedy Andersen zaczął analizować dane spływające z Pioneerów, izraelski astrofizyk Mordehai Milgrom zainteresował się obserwowanym ruchem gwiazd na peryferiach odległych galaktyk. Ku jego zdziwieniu okazało się, że również gwiazdy te poruszają się w sposób przeczący przewidywaniom teorii grawitacji: ruch ten charakteryzuje się określoną skalą przyspieszenia o wartości bardzo podobnej do anomalnego przyspieszenia Pioneerów. Żeby było jeszcze ciekawiej, w ostatnich latach okazało się, iż cały nasz Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. I znów wartość tego przyspieszenia jest mniej więcej taka, jak anomalne przyspieszenie Pioneerów. Mamy więc do czynienia z pojawieniem się podobnego efektu przyspieszania w trzech sytuacjach: na obrzeżach Układu Słonecznego, przyspieszenia galaktyk i Wszechświata; wtedy, gdy siła newtonowskiej czy też einsteinowskiej grawitacji staje się bardzo słaba.

Czy może to być dziełem przypadku? Trudno w to uwierzyć! A jednak okazuje się, że znalezienie teorii, która byłaby w stanie opisać te zjawiska, jest niezwykle trudne. W ostatnich latach zaproponowano wiele modyfikacji teorii grawitacji, żadna z nich jednak nie okazała się w pełni satysfakcjonująca. Tajemnicze przyspieszenie Pioneerów nadal stanowi dla fizyków nierozwiązaną zagadkę.

A może anomalii Pioneerów po prostu nie ma? W końcu zaobserwowano ją tylko w kilku przypadkach. Aby się o tym przekonać, należałoby sprawdzić, czy anomalne przyspieszenie dotyczy również innych ciał niebieskich naszego Układu Słonecznego. Nie jest to jednak proste. I choć może wydawać się dziwne, to po kilku tysiącleciach istnienia astronomii nie znamy torów planet zewnętrznych (dla których efekt anomalnego przyspieszenia mógłby mieć miejsce) wystarczająco dokładnie, by przeprowadzać rozstrzygające testy. Z kolei na tor lotu komet wpływ ma tak wiele zjawisk fizycznych, zachodzących we wnętrzu i otoczeniu ich jąder, że precyzyjne pomiary są prawie niemożliwe. Pozostają planetoidy, ale ich obserwacja ze względu na małe rozmiary jest niezwykle trudna.

Trzeba więc powtórzyć misję Pioneerów używając małych sond, których jedynym zadaniem byłby lot poza granice Układu Słonecznego i przekazywanie na Ziemię bardzo dokładnych danych o swoim położeniu. Projekty takich misji rozważane są poważnie przez Europejską Agencję Kosmiczną i NASA. Ponieważ jednak przyjmuje się, że następne Pioneery powinny cechować się około tysiąckrotnie większą dokładnością pomiarów, nie można zapewne spodziewać się rozpoczęcia ich misji przed rokiem 2010, a pierwszych wyników przed 2015 r.

Wielokrotnie w dziejach nauki okazywało się, że początkiem wielkich, przełomowych odkryć były przypadkowe obserwacje. Jeśli więc anomalia Pioneerów naprawdę istnieje i zostanie to dowiedzione, będzie to kolejne potwierdzenie starej prawdy, że niezależnie od aktualnego stanu naszej wiedzy przyroda w każdej chwili może nas zaskoczyć.

(Prof. dr hab. Jerzy Kowalski-Glikman, UWr, na podstawie "Polityki")

Teoria
Wyprowadzenia wzorów
Zadania fizyczne
Doświadczenia fizyczne
Tablice fizyczne
Biografie fizyków
FORUM
Oferty pracy

Prawo ohma [0]
I Zasada dynamiki Newtona [0]
Potencjał spoczynkowy [0]
zadannie [0]
wykres energii potencjalnej w czasie [0]


	strona główna :: o serwisie :: polityka prywatności :: reklama :: mapa serwisu :: wstecz :: do góry