Die Pioneer-Anomalie ist gelöst – ein Gastbeitrag

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Ein Standardbauplan aus dem Bausatz zu einer handelsüblichen Pioneer-Sonde von IKEA.

Nicht schlecht, was? Zwei Monate, nachdem wir uns des Themas angenommen haben, ist die Pioneer-Anomalie keine Anomalie mehr. Man hat von zwei unabhängigen Seiten gleiche Erklärungen für die anomalischen Beschleunigungen gefunden. Wir sollten häufiger über die großen Probleme unserer Zeit schreiben.

Was des Rätsels Lösung ist, erklären euch auf unser Bitten hin drei angehende Physiker im unten stehenden Gastbeitrag1.
Judith Selig, Michael F. Schönitzer und Florian Schlagintweit untersuchten die Anomalie im Rahmen einer Vorlesung bei Prof. Lesch2 und schrieben eine Arbeit dazu. Diese haben sie nun für uns auf physikBlog-Niveau runtergebrochen, blondiert und mit der frischen Anomalieerklärung garniert.

Bühne frei!

Die Pioneer-Anomalie — eine Zusammenfassung

Im Februar 1969 genehmigte die NASA zwei Sonden mit dem Ziel, den Asteroidengürtel, das interplanetare Medium zwischen Mars und Jupiter, die äußeren Planeten sowie die für die heutige Raumfahrt wichtigen Flyby-Manöver zu erforschen: Pioneer 10 (Start am 2. März 1972) und Pioneer 11 (Start am 6. April 1973).

Flussdiagramm zum Ausgleich unberücksichtigter Effekte bei Raumsonden. Im Fall der Pioneer Missionen konnten diese Modellkorrekturen bisher nicht erklärt werden. Bei den Analysen der Pioneer-Anomalie verwendet man den rechten Teil, um die Größe der Anomalie zu bestimmen.

Die Navigation der Sonden erfolgte durch 2-Wege-Radio-Dopplermessung durch Messstationen des Deep Space Network (DSN). Diese Messungen lieferten eine Frequenzverschiebung, welche nach Berücksichtigung zahlreicher beeinflussender Faktoren in die Geschwindigkeit der Sonden umgerechnet werden kann. Da die Messungen äußerst präzise waren und man alle nennenswert beeinflussenden Faktoren genau berücksichtigte (bishin zu der Auswirkung der Plattentektonik auf die Relativgeschwindigkeit) ist die Messung der Geschwindigkeit äußerst präzise.
Auf der anderen Seite, konnte man aus den genau bekannten Massen von Sonne, Planeten, Mond und größeren Asteroiden, sowie einem Modell des Sonnenwindes die Bahn theoretisch berechnen. Wie bei solchen Missionen üblich, hat man nun die Messwerte laufend an die Berechnungen gefittet (es gibt einige freie Parameter wie die Manöver der Sonden) und Abweichungen, wenn sie zu groß waren durch zusätzliche frei bestimmte Parameter korrigiert. So konnte man mit Hilfe der so bestimmten Parameter die zukünftige Bahn berechnen und ggf. navigierend eingreifen. Im „Nachhinein” überlegte man sich dann worauf diese Parameter zurückzuführen sein könnten. Nun stellt man seit Anfang der 80-er Jahre fest, dass es eine bis dato unerklärliche konstante Beschleunigung von (8,74 ± 1,33) · 10-8 cm/s2 in Richtung Sonne gab.

Zunächst dachte man, man hätte es nur mit einem Rechen- oder Computerfehler oder einem nicht berücksichtigten Einfluss zu tun, doch die Analysen wurden verfeinert, und vielfach – auch von unterschiedlichen Personen und unterschiedlichen Programmpaketen – überprüft. Die Anomalie und ihr Wert wurden immer wieder bestätigt. Sie wurde zur „Pioneer-Anomalie“ und zählt(e) bis heute zu einem der wichtigsten ungelösten Probleme der Astrophysik. Später erkannte man, dass es auch zeitlich periodische Unstimmigkeiten gibt, die ebenfalls bis heute nicht erklärt wurden.

Mögliche Gründe der Anomalie

Als die Anomalie als real existierendes physikalisches Problem anerkannt wurde, bekamen auch die Überlegungen, was wohl die Ursache der Anomalie seien könnte, neuen Antrieb.
Als erstes stellt sich hier natürlich die Frage, ob es sich um einen sondeninternen oder einen externen Effekt handelt. Nach einigen Berechnungen konnten interne Gründe, wie z.B. ein Rückstoß durch Radiowellen, thermische Emission der RTGs (Radioisotope Thermoelectric Generator, zu deutsch: Radionuklidbatterie) und Ausstoß von Helium in der RTGs ausgeschlossen werden. Auch die sondenexternen Effekte wurden gründlich untersucht. Man stellte jedoch auch hier fest, dass die Größe, oder das Vorzeichen nicht stimmten. So waren der Strahlungsdruck, der Sonnenwind, die Sonnencorona, Lorentzkräfte durch eine elektrische Ladung der Sonde und die Gravitation des Kuipergürtels nicht in der Lage, die anormale Beschleunigung zu erklären. Da die Anomalie eine Kraft in Richtung Sonne darstellt, ist die erste Idee natürlich ein gravitativer Effekt. Wie oben erwähnt, sind jedoch die Massen der Objekte im Sonnensystem, die hier eine Rolle spielen, gut bekannt. So konnte schnell gezeigt werden, dass das newtonsche Gravitationsgesetz, sowie die relativistischen Korrekturen, nicht die Ursache sein kann. Für sehr große Entfernungen und sehr kleine Beschleunigungen sind diese Gesetze allerdings nur schlecht bis gar nicht überprüft bzw. überprüfbar. Deshalb kam die Idee auf das Graviationsgesetz bzw. das 2. newtonsche Gesetz zu modifizieren. Aus F=m·a wird dann in der modifizierten Newtoschen Dynamik (MOND) F=m·a·y, y ist ein unspezifizierter Faktor, der bei großen Beschleunigungen 1 und bei kleinen Beschleunigungen a/a0 ist, wobei a0 die Grenzbeschleunigung ist, ab welcher MOND greift. Bei der Pioneer-Anomalie handelt es sich um eine Beschleunigung, die klein genug ist, dass man mit MOND rechnen müsste und es lässt sich ein y konstruieren, so dass man sogar auf den richtigen Wert käme. MOND ist als Ursache für die Pioneer-Anomalie allerdings leicht zu widerlegen, denn wenn die Anomalie tatsächlich gravitativen Ursprungs wäre, hätte man schon seit längerem unerklärliche Abweichungen in den Bahnen der äußeren Planeten beobachten müssen.

Teil eines größeren Effekts?

Verlauf der anomalen Beschleunigung in Abhängigkeit von der Entfernung der Sonden von der Sonne in Astronomischen Einheiten.

Schnell fiel auf, dass der Wert der Anomalie ungefähr gleich H0·c ist (H0 ist die Hubblekonstante und c ist die Lichtgeschwindigkeit). So kamen Spekulationen auf, dass die Ausdehnung des Universums und damit die Dunkle Energie die Ursache für die Pioneer-Anomalie sein könnte. Die Idee dahinter ist, dass die Anomalie keine wirkliche Beschleunigung ist, sondern nur eine Veränderung des Dopplersignals, welche durch die Ausdehnung des Universums hervorgerufen wird. Diese Theorie lässt sich aber leicht entkräften: Die Anomalie zeigt in Richtung der Sonne und nicht, wie es diese Theorie fordert, von der Sonne weg. Hätte die Dunkle Energie tatsächlich einen Effekt auf das Signal, so würde sich das in einer Rotverschiebung und nicht in der gemessenen Blauverschiebung der Frequenz äußern.

Nicht nur die Theorie der Dunklen Energie und MOND wurden als Erklärungsversuche in Betracht gezogen, auch die Dunkle Materie kam für kurze Zeit in Betracht, die Anomalie zu lösen. Dies scheiterte jedoch an zwei Gründen:

  1. Wenn es in unserem Sonnensystem eine derart große Menge an Dunkler Materie (in 50 AU müssten sich 5,9 · 1026 kg befinden) angesammelt hätte, dann wären auch die Planetenbahnen davon betroffen. Dies ist jedoch laut den genauen Vermessungen der Planetenbahnen nicht der Fall.
  2. Das Sonnensystem hat, nach unserem Verständnis, in seiner Lebensdauer von 4,5 · 109 Jahren nur etwa 1020 kg an Dunkler Materie ansammeln können. Diese Masse kann in keiner Weise den Betrag der Pioneer-Anomalie erklären.

Da es nicht nur um die Ursache, sondern auch um das Wesen der Anomalie zahlreiche offene Fragen gibt, wurde mehrfach vorgeschlagen eine eigene Mission zu starten um die Anomalie genauer zuvermesen. Erstes Ziel der Mission sollte sein die Anomalie zubestätigen. Desweiteren sollte die Größe der Beschleunigung genau bestimmt werden, sowie ihre genaue Richtung (in Richtung Sonne, Erde, Geschwindigkeitsvektor oder Spinachse). Außerdem sollte das Verhalten der Anomalie über lange Zeiträume hinweg überprüft werden und ob der Effekt auch außerhalb der Ekliptik auftritt.

Unabhängige Erklärungen

Als vielversprechende Erklärung hat sich die unterschätzte thermische Emission und Reflexion der Sonden herauskristallisiert. Der Hintergrund ist der, dass die Photonen der Wärmestrahlung bekannterweiße auch einen Impuls haben. Strahlt die Sonde nun in eine Richtung mehr Wärme als in die entgegengesetzte ab, so wirkt auf die Sonde dadurch eine Beschleunigung.
Da alle anderen internen Fehlerquellen relativ genau modelliert wurden und externe Fehlerquellen als Ursache ausgeschlossen wurden, nehmen wir an, dass die Beschleunigung durch die thermische Abstrahlung zustande kommt. Dies würde allerdings zur Folge haben, dass die Anomalie nicht konstant ist, sondern, wie die Halbwertszeit von Pu-238 in den RTGs, abnimmt. Da im Jahr 2002, als die erste umfangreiche Arbeit über die Pioneer-Anomalie veröffentlicht wurde, noch kein vollständiger Telemetrie Datensatz vorlag, konnte dies damals noch nicht überprüft werden. Die momentan laufenden Analysen der gesamten Daten könnten darüber Aufschluss geben.
Die Untersuchung der thermischen Emission ist zur Zeit Bestandteil einiger Studien. Ende März 2011 wurde auf dem Preprint-Server arXiv.org eine Arbeit von portugisischen Wissenschaftlern veröffentlicht, die eine Erklärung für die Anomalie aufgrund der thermischen Abstrahlung gefunden haben wollen – eine Veröffentlichung in in Physical Review D wird angestrebt. Die zentrale Annahme in dieser Arbeit ist die, dass nicht nur die RTGs als Lambertstrahler3 angenommen werden, sondern auch das Fach für die technischen Geräte als Lambertstrahler modelliert werden muss. Außerdem wird die Reflexion von thermischer Emission an der Sonde mit in die Berechnungen mit einbezogen. Am 20. April 2011 veröffentlichen Benny Rievers und Claus Lämmerzahl vom ZARM in Bremen ebenfalls auf arXiv.org eine Arbeit welche die Anomalie ebenfalls durch thermische Abstrahlung erklärt. Sie simulieren die thermische Abstrahlung jedoch mit der Methode der finiten Elemente. Somit gibt es eine unabhängige Überprüfung. Die enge zeitliche Abfolge der beiden Veröffentlichungen lässt uns vermuten, dass es hier offensichtlich ein Wettrennen zwischen den beiden Gruppe gab.

Diese Erklärungsmodelle werden zur Zeit vom JPL, namentlich von J.D. Anderson, M.M. Nieto und S.G. Turyshev4 überprüft. Es ist sehr wahrscheinlich, dass damit die Pioneer-Anomalie gelöst ist.

Langweilige, verschwendete Zeit für ein bisschen Wärmestrahlung?

Mit der Lösung der Pioneer-Anomalie, 40 Jahre nach dem Start der Sonden und 30 Jahre nach Entdeckung der Anomalie, geht ein wichtiges Kapitel der Astrophysik zu Ende. Die Ergebnisse werden für zukünftige Deep Space Raumfahrtmissionen wichtige Erkenntnisse sein.
Auch die wissenschaftliche Bedeutung ist groß: Die Pioneer-Sonden stellten einen der größten Tests unserer Gravitationsgesetze dar, und während es anfangs so aussah, als ob die Daten unserem Weltbild widersprechen würden, so scheinen die Daten nun unsere Gesetze zu bestätigen. Die bereits seit längerer Zeit laufende Neuanalyse der kompletten Daten der Sonden, könnte dies abschließend klären. Auch wenn die gefundene Erklärung eine im Vergleich zu andern Vorschlägen (Dunkle Energie, Dunkle Materie, MOND) vergleichsweise konservativ und fast schon “langweilig” ist, so ist die wissenschaftliche Bedeutung der Anomalie dadurch nicht geschmälert, sind es doch gerade auch Negativ-Resultate und Überprüfungen existierender Theorien, die die Wissenschaft zu dem macht was sie ist.

  1. Der Gastbeitrag beginnt mit einer Einführung ins Thema. Das kennen die fleißigsten Blogleser Deutschlands zwar im Groben schon, aber man erfährt trotzdem noch ein paar interessante Details. Lohnt sich also! []
  2. Michael kontaktierte mich kurz nach dem Beitrag von damals und hielt mich seitdem auf dem Laufenden. Wenn ihr genau hinseht, dann findet ihr am unteren Rand des Artikels auch einen Nachtrag dazu. []
  3. Ein Lambertstrahler ist ein Objekt, welches in alle Raumrichtungen gleichmäßig Strahlung abgibt. []
  4. Diese drei können auch als die Entdecker und führenden Experten der Anomalie angesehen werden. []
Kurzlink
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6 Antworten auf Die Pioneer-Anomalie ist gelöst – ein Gastbeitrag

  1. Phi sagt:
    #1

    Interessant!
    Was ich noch nicht verstanden habe, wenn die Wärmestrahlung einen Impuls verursacht, wieso ist dieser nicht in Richtung Sonne gerichtet (da diese Seite ja eine höhere Temperatur hat). So würde die Sonde sich ja Richtung Erde bewegen.
    Klärt mich jemand auf? ;)

  2. blub sagt:
    #2

    Weil die photonen, die von der Sonne kommen auch einen Impuls haben und dieser sich mit der ausgesanten wärmestrahlung ziemlich exakt auf hebt. Außerdem dürfte dieser effekt zu klein sein um gemessen zu werden. Den Sonnenwind hat man ja schon mit in die Berechnung eingezogen, das sind eben keine Photonen sondern Teilchen..

    Lieben Gruß,
    Blub

  3. Tobias sagt:
    #3

    Sehr spannend. Kaum zu glauben, dass so geringe Abweichung gemessen/berechnet werden können, wenn man eigentlich im Sinn hatte, das Große Ganze zu messen.

  4. SCHWAR_A sagt:
    #4

    …wenn die Anomalie tatsächlich gravitativen Ursprungs wäre, hätte man schon seit längerem unerklärliche Abweichungen in den Bahnen der äußeren Planeten beobachten müssen.”

    Ist das tatsächlich so? M.E. wird die Masse einees äußeren Planeten u.a. aus den Kepler-Gesetzen berechnet. Würden wir die Masse der Pioneer-Sonde nicht kennen, hätten wir die Anomalie wohl nicht entdeckt und ihre Masse einfach falsch berechnet…
    Ich würde gravitative Ursachen nicht ausschließen – bis es einen echten Gegenbeweis gibt.

  5. SCHWAR_A sagt:
    #5

    *schäm* – es gilt ja nur die zentrale Masse in den Kepler-Gesetzen und die ändert sich ja gar nicht…

  6. Andreas sagt:
    #6

    Hat man bei der Pioneer-Anomalie auch die Masse des schwarzen Loch in der Mitte unserer Galaxie berücksichtigt?

    Unsere Sonne umkreist diese schwarze Loch mit eine konstanten Geschwindigkeit.
    Wenn sich eine Raumsonde in einer bestimmten Richtung, aus unseren Sonnensystem
    bewegt, dann verringert, oder erhöht sich diese konstante Geschwindigkeit um das
    schwarze Loch, und es kann zu Abweichungen der Flugbahn der Sonde kommen,
    weil das schwarze Loch die Sonde mal mehr oder weniger anzieht.