Οι επιστήμονες σκέπτονται το πρόβλημα της βαρύτητας καθώς παρατηρούν την πορεία των Pioneer

Από το Space.com, 18 Οκτωβρίου 2004

Η πορεία των διαστημικών σκαφών Pioneer δείχνει μια μικρή ανωμαλία, και κορυφαίοι ερευνητές προτείνουν μια νέα αποστολή για να μελετήσουν το μυστήριο. Συγκεκριμένα φαίνεται να έλκονται λίγο περισσότερο από τον ήλιο, καθώς αυτά απομακρύνονται  από το ηλιακό μας σύστημα.

Για περισσότερο από τρεις αιώνες η θεωρία της βαρύτητας έχει κατανοηθεί πολύ καλά.

Ο Νεύτωνας περιέγραψε τη βαρυτική δύναμη ότι ήταν ανάλογη με τη μάζα ενός αντικειμένου. Αν και η δύναμη εκτείνεται μέχρι το άπειρο, η βαρύτητα ελαττώνεται με την απόσταση (συγκεκριμένα, αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης). Ο Einstein στηρίχτηκε σε αυτά τα δεδομένα όταν ανέπτυξε τη θεωρία της σχετικότητάς του.

Πριν από μια δεκαετία, περίπου, ένας ερευνητής παρατήρησε κάτι περίεργο με την πορεία των δύο διαστημικών σκαφών Pioneer, ενώ ταξίδευαν προς την άκρη του ηλιακού συστήματος. Δεν ήταν στη θέση όπου έπρεπε να είναι.

Κάτι μείωνε τη ταχύτητα στα σκάφη αυτά, σύμφωνα με τους υπολογισμούς των τροχιών τους, και όμως η βαρύτητα όλων των αντικειμένων στο ηλιακό σύστημα - ακόμη και μια μικροσκοπική ώθηση από το φως του ήλιου - οφείλει να δράσει πάνω τους.

Οι επιστήμονες έτσι προτείνουν μια νέα αποστολή για να υπολογίσουν ακριβώς τι συμβαίνει με τη βαρύτητα σε εκείνες τις περιοχές του ηλιακού συστήματος.

Τα δύο σκάφη Pioneer 10 και 11 προωθήθηκαν το 1972 και το 1973 αντίστοιχα. Σήμερα βρίσκονται αρκετά δισεκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά ενώ εξέρχονται από το ηλιακό σύστημα.

Η απόκλιση (μεγαλύτερη απόσταση από τη θεωρητική) που προκαλείται από την ανωμαλία ανέρχεται σε, περίπου, 400.000 χιλιόμετρα, ή κατά προσέγγιση την απόσταση μεταξύ της Γης και της Σελήνης. Αυτή η απόσταση θα είχε γίνει σε 34 χρόνια ταξιδιού τους, εάν ο υπολογισμός της βαρύτητας είναι σωστός.

Ορισμένοι επιστήμονες βιάστηκαν να προτείνουν ότι η ανωμαλία Pioneer, όπως την ονομάζουν, προκαλείται πιθανώς από τα ίδια τα διαστημικά σκάφη, ίσως γιατί εκπέμπουν θερμότητα ή κάποια άλλη ποσότητα αερίου λόγω διαρροής. Αλλά, αφού εξετάστηκαν όλες οι πιθανές λύσεις, μέχρι τώρα δεν έχουν προκύψει τέτοια στοιχεία.

Και ποιές είναι οι απαντήσεις που δίνονται τότε στο πρόβλημα της ανωμαλία Pioneer;

Αφιερωμένος στο πρόβλημα

Ο Slava Turyshev στο Εργαστήριο Αεριοπροώθησης (JPL) της NASA είναι ένας από τους λίγους επιστήμονες που παλεύουν υπολογιστικά με την ανωμαλία Pioneer κάθε μέρα επί 11 χρόνια τώρα. Δεν πληρώνεται για να εργαστεί ειδικά πάνω σε αυτό το πρόβλημα, έτσι πρέπει να το εξετάζει μαζί με την κανονική του έρευνα. Αυτή περιλαμβάνει παράξενες πτυχές της βαρύτητας και, το σημαντικότερο, ψάχνει για το αν οι θεωρίες που εξηγούν τη βαρύτητα μπορούν να ταιριάξουν με εκείνες που περιγράφουν τον αόρατο, υποατομικό κόσμο.

Τα στοιχεία από τα διαστημικά σκάφη Γαλιλαίος και Οδύσσεια προτείνουν ότι η ανωμαλία μπορεί να είχε επιπτώσεις και σε αυτά, επίσης. Αλλά κανένα σκάφος από αυτά δεν θα φτάσει αρκετά μακριά από τον ήλιο - την κυρίαρχη πηγή της βαρύτητας στο ηλιακό σύστημα - για να διακρίνουμε οποιαδήποτε πιθανή απόκλιση από το θόρυβο στα στοιχεία, λέει ο Turyshev. Ο Γαλιλαίος δυστυχώς συντρίφθηκε πάνω στο Δία πέρυσι, και ο Οδυσσέας δεν θα πάει ποτέ μακρύτερα από ότι βρίσκεται τώρα.

Το γεγονός αυτό μας αφήνει μόνο με δύο σκάφη, τους δύο Πρωτοπόρους, για να εξεταστεί το φαινόμενο. Ο Turyshev θεωρεί καταφανώς το ζευγάρι των Pioneer ως ένα δεδομένο σημείο, ώστε να μην αυξηθεί η πιθανότητα για μια παράξενη νέα φυσική.

Οι μηχανικοί της NASA έχουν πραγματοποιήσει εδώ και πολύ καιρό την τελευταία τους επικοινωνία με τα σκάφη Pioneer, έτσι τα δύο σκάφη μεταφέρουν το άλυτο μυστήριο σιωπηλά στα αστέρια.

Προτείνεται νέα αποστολή

Η ανωμαλία Pioneer ανακαλύφθηκε από τον John Anderson, επίσης του JPL, στη δεκαετία του '80. Για χρόνια δεν δημοσίευε τις παρατηρήσεις του. Κατόπιν τις συζήτησε με το φυσικό Michael Martin Nieto του Εθνικού Εργαστηρίου του Los Alamos. Ο Nieto αναφέρει ότι "σχεδόν έπεσα από την καρέκλα μου".

Ο Nieto ασχολήθηκε με την έρευνα, και εν συνεχεία οι δύο τους συνεργάστηκαν με τον Turyshev. Επεξεργάστηκαν μαζί πιο βαθιά τα στοιχεία, και για να βοηθηθούν στην εργασία τους ανακάλυψαν ακόμη και συνταξιούχους επιστήμονες της NASA.

Η διευκρίνηση του αινίγματος θα απαιτήσει μια νέα αποστολή, ισχυρίζονται οι ερευνητές. Η NASA, εντούτοις, δεν έχει κανένα τέτοιο πρόγραμμα στην ημερήσια διάταξή της και δεν έχει εκφράσει και πολύ ενδιαφέρον για μια τέτοια. Οι Ευρωπαίοι, για λόγους και ιστορικούς (λόγω Νεύτωνα, Αϊνστάιν κλπ) και γιατί έχουν μια ισχυρή επιθυμία για να καταπιαστούν καλύτερα με τη βαρύτητα, φαίνονται να ενδιαφέρονται για την έρευνα του προβλήματος.

Έτσι η ομάδα του Anderson πρότεινε πρόσφατα στην ESA μια "αποστολή για να ερευνήσει την ανωμαλία Pioneer" χρησιμοποιώντας τα πιο πρόσφατα όργανα μέτρησης της επιτάχυνσης και προωθημένες μεθόδους ναυσιπλοΐας.

Η ιδέα αυτή έχει πολύ ψηλές πιθανότητες να εφαρμοστεί στο μέλλον, σκέφτεται ο Turyshev. Εάν χρηματοδοτηθεί, θα μπορούσε η αποστολή να προωθηθεί το νωρίτερο το 2015.

Εάν η αποστολή αυτή είχε σαν σκοπό να βρεθεί μια φυσική - κοσμική αιτία στην ανωμαλία Pioneer, αυτή η αποκάλυψη θα ήταν της ίδιας αξίας με την "πτώση του μήλου" στην ιστορία της φυσικής. Γιατί όπως αναφέρει ο Turyshev θα είχε επαναστατική επίδραση.

Εξωτικοί υποψήφιοι

Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω μια υποψήφια αιτία είναι η σκοτεινή ύλη. Αυτή η άγνωστη ουσία φαίνεται να εμποτίζει το Σύμπαν και, αν και αόρατη, εξασκεί συνολικά μια βαρυτική επίδραση μεγαλύτερη από όλη τη γνωστή ορατή ύλη, συμπεριλαμβανομένων και των αστεριών και των πλανητών. Στην σκοτεινή ύλη οφείλεται ότι οι γαλαξίες βρίσκονται συγκεντρωμένοι. Χωρίς αυτήν θα είχαν διασπαστεί. Κάθε γαλαξίας πρέπει να περιέχει άφθονη τέτοια ουσία, συμπεραίνουν οι αστρονόμοι, που βασίζονται στον τρόπο με τον οποίο αναγκάζονται τα αστέρια να περιφέρονται σε τροχιές στα κέντρα των γαλαξιών.

Αλλά τα αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης έχει θεωρηθεί ότι λειτουργούν σε μεγάλες εκτάσεις, και ανάμεσα και μέσα στους γαλαξίες. Δεν υπάρχουν όμως τέτοια στοιχεία για το ελέγξουμε αυτό, σε ένα χώρο τόσο μικρό όπως είναι το ηλιακό μας σύστημα.

Μια άλλη ιδέα είναι ότι η ελκτική δύναμη της βαρύτητας ελαφρώς αυξάνεται όταν τα σώματα απομακρύνονται. Αυτή η ριζική πρόταση, εάν αποδειχθεί αληθινή, θα ανάγκαζε μια τροποποίηση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Einstein και μπορεί να αποβάλει την υπόθεση της σκοτεινής ύλης ως φορέα δύναμης.

Υπάρχει μια ακόμα πιο εξωτική πιθανότητα: Να υπάρχουν πάνω από τέσσερις διαστάσεις (τις τρεις γνωστές χωρικές και το χρόνο). Μοντέλα της θεωρίας χορδών προτείνουν ότι οι υψηλότερες διαστάσεις θα μπορούσαν να δώσουν ασθενείς δυνάμεις που να ενεργούν με τρόπους που δεν κατανοούμε ακόμα.

Καμία τέτοια 'φανταχτερή' θεωρία, εντούτοις, δεν εξηγεί κατάλληλα τα στοιχεία των Pioneer.

Παρασυρόμενη κίνηση

Το ταξίδι των Πρωτοπόρων καθώς και του Voyanger στην άκρη του ηλιακού συστήματος

Οι επιστήμονες έστειλαν μικροκυματικά ακτινοβολία προς τα δύο σκάφη και την παρατήρησαν όταν επέστρεψε πίσω ανακλώμενη. Είδαν λοιπόν μια απροσδόκητη μεταβολή στη συχνότητα Doppler σαν να βρίσκονταν τα σκάφη πολύ πιο μακριά. Η τεχνική αυτή είναι παρόμοια με αυτή που εφαρμόζεται στα υπερηχογραφήματα ή με τη μεταβολή της συχνότητας του ήχου από ένα αυτοκίνητο που κινείται. Το φαινόμενο Doppler είναι η μεταβολή της συχνότητας των ηχητικών κυμάτων (ή των μικροκυμάτων, ή οποιωνδήποτε κυμάτων), που οφείλεται στη μετακίνηση ενός αντικειμένου.

Η μεταβολή έδειξε ότι οι δύο Πρωτοπόροι επιταχύνονταν προς τον ήλιο (ή, μάλλον, επιβραδυνόταν κατά την κίνηση τους μακριά από τον ήλιο) κατά μία μικροσκοπική αλλά ανεξήγητη ποσότητα. Το μέτρο της μεταβολής είναι τέτοιο που να ισούται με μια βαρυτική επίδραση 10 δισεκατομμύρια φορές πιο ασθενική από τη βαρυτική έλξη της Γης.

Αν και μικροσκοπικό, το σήμα είναι καθαρό, συμφωνούν άλλοι επιστήμονες.

Παρά τα 11 χρόνια αφοσίωσης στο μυστήριο, ο Turyshev είναι ο πρώτος που θα αναγνωρίσει ότι η "προφανέστερη εξήγηση" θα ήταν μια άγνωστη επίδραση κατά τη διάρκεια του ταξιδιού. Ίσως μια υπερβολική εσωτερική θερμότητα ή διαρροές του αερίου προώθησης να δίνουν στα διαστημόπλοια επί σειρά ετών την απαραίτητη ώθηση που παρατηρήσαμε.

Αλλά ακόμα παρά τις πολλές δοκιμασίες, "κανένας σαφές πρόβλημα πάνω στο σκάφος δεν έχει ανακαλυφθεί", λέει ο ίδιος. "Αυτή η ανικανότητα να εξηγηθεί η ανώμαλη επιτάχυνση του διαστημικού σκάφους με τη συμβατική φυσική, έχει ανοίξει ένα κύκλο συζητήσεων  για την προέλευσή της".

Ακόμα κι αν η ανωμαλία προκαλείται από τα ίδια τα σκάφη, υπολογίζεται ότι θα είναι χρήσιμη λέει ο Turyshev, που είναι ο επικεφαλής των ειδικών στην Αμερικανική ομάδα.

"Βρίσκοντας την αιτία θα μας βοηθούσε να φτιάξουμε ένα καλύτερο διαστημικό σκάφος για τις ανάγκες της θεμελιώδους φυσικής", είπε. "Αυτά τα σκάφη θα γίνονταν σταθερότερα, πιο ήρεμα και θα μας επέτρεπαν να πάμε ακόμα πιο βαθιά στις αναζητήσεις μας για να μελετήσουμε τη δομή της θεμελιώδους και της βαρυτικής φυσικής".