Die sogenannte “Pioneer-Anomalie” hat die Wissenschaftler seit Jahrzehnten beschäftigt. Dabei geht es um die Bahnen der Raumsonden Pioneer 10 und 11 die 1972 bzw 1973 ins All gestartet sind. Die Sonden fliegen nicht so, wie sie es eigentlich sollten sondern werden ganz leicht abgebremst. Man hat lange probiert die Gründe herauszufinden und von simplen technischen Problemen der Sonde bis hin zu einer neuen Physik war eigentlich alles dabei. Jetzt hat man das Problem endlich gelöst. Judith Selig, Michael F. Schönitzer und Florian Schlagintweit studieren Physik an der LMU München und haben letztes Semester eine Arbeit über die Pioneer-Anomalie (sie steht unter CC-BY-SA 3.0 Lizenz) verfasst. Für einen Gastbeitrag* haben sie ihre lange Arbeit nochmal zusammengefasst. Viel Spaß damit!

Die Pioneer-Sonde (Bild: Turyshev)

Im Februar 1969 genehmigte die NASA zwei Sonden mit dem Ziel den Asteroidengürtel, dasinterplanetare Medium zwischen Mars und Jupiter, die äußerenPlaneten 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).

Die Navigation der Sonden erfolgte durch 2-Wege Radio-Dopplermessung durch Messstationen des 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.

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.

Abhängigkeit der Pioneer-Anomalie von der Entfernung zur Sonne

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.

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