Pioneer anomali löst av 1970-talets datorgrafikteknik

Under det senaste decenniet eller så har Pioneer Anomaly blivit ett av de stora olösta pusslen inom astrofysik.

Problemet är detta. Rymdskepparna Pioneer 10 och 11 sköts upp mot Jupiter och Saturnus i början av 1970-talet. Efter sina respektive förbiflygningar fortsatte de på flyktbanor ut ur solsystemet, båda bromsade under kraften från solens gravitation. Men noggranna mätare visar att rymdfarkosterna saktar ner snabbare än de borde, som om de dras av en extra osynlig kraft mot solen.

Denna retardation är liten: bara (8,74±1,33)×10^−10 ms^−2. Den stora frågan är var den kommer ifrån.

Rymdfarkostingenjörernas första tanke var att värme som sänds ut av rymdfarkosten kunde orsaka exakt denna typ av retardation. Men när de undersökte hur värme producerades på farkosten, av plutonium ombord, och hur detta måste ha släppts ut, kunde de inte få siffrorna att gå ihop. Som mest kan termiska effekter bara stå för 67 procent av retardationen, sa de.

Det ledde till en mängd andra idéer som jag har tagit upp några av i den här bloggen. Förra året tittade vi till exempel på arbete som utesluter möjligheten att gravitationen kan vara starkare på dessa avstånd, eftersom vi borde kunna se en liknande effekt på omloppsbanan för andra avlägsna objekt som Pluto.

Nu säger Frederico Francisco vid Instituto de Plasmas e Fusao Nuclear i Lissabon, Portugal, och några kompisar, att de har räknat ut var de termiska beräkningarna gick fel.

Dessa killar har gjort om beräkningarna med hjälp av en datormodell av inte bara hur värmen avges utan även hur den reflekteras från de olika delarna av rymdfarkosten. Reflexionerna visar sig vara avgörande.

Tidigare beräkningar har endast uppskattat effekten av reflektioner. Så Francisco och co använde en datormodelleringsteknik som heter Phong skuggning för att räkna ut exakt hur den avgivna värmen reflekteras och i vilken riktning den hamnar på väg.

Phong-skuggning skapades på 1970-talet och används nu flitigt i många renderingspaket för att modellera reflektioner i tre dimensioner. Det utvecklades ursprungligen för att hantera reflektioner av synligt ljus från 3D-objekt men det fungerar lika bra för infrarött ljus, säger Francisco och co.

I synnerhet har Phong-skuggning gjort det möjligt för det portugisiska laget att för första gången inkludera effekten av värme som avges från en del av rymdfarkosten som kallas huvudutrustningsfacket. Det visar sig att värmen från den bakre väggen i detta fack reflekteras från baksidan av rymdfarkostens antenn (se diagram ovan).

Eftersom antennen pekar Sunward, mot jorden, skulle reflektioner från dess baksida tendera att bromsa upp rymdfarkosten. Strålningen från denna vägg kommer, i en första iteration, att reflektera från antennen och lägga till ett bidrag till kraften i solens riktning, säger Francisco och co.

Se och se, denna extra kraftkomponent gör hela skillnaden. Som Francisco och co uttryckte det: Med de resultat som presenteras här blir det alltmer uppenbart att om inte nya data dyker upp kan pusslet med Pioneer-sondernas onormala acceleration äntligen läggas ner. Med andra ord försvinner anomin.

Naturligtvis kommer andra grupper att vilja bekräfta dessa resultat och ett team vid Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, som har samlat in data om sonderna, studerar för närvarande sin egen datormodell av de termiska budgetarna.

Det ska bli intressant att se om de håller med. Om de gör det; Problemet löst. Förmodligen!

Ref: arxiv.org/abs/1103.5222 : Modellera det reflekterande termiska bidraget till accelerationen av Pioneer-rymdfarkosten

Du kan nu följa The Physics arXiv Blog på Twitter

Dölj