Аномалія або ефект «Піонера» — спостережуване відхилення від передбаченого прискорення космічних апаратів «Піонер-10» і «Піонер-11» після того, як вони пройшли близько 20 а.о. по траєкторії за межі Сонячної системи. Видима аномалія викликає величезний інтерес протягом багатьох років, але зараз найбільш прийнятним є пояснення анізотропією тиску випромінювання, викликаного тепловтратами.
По мірі того, які космічні апарати «Піонер» віддаляються від Сонячної системи, вони сповільнюються під впливом гравітації Сонця. За дуже детального розгляду навігаційних даних виявилось, що вони сповільнюються трохи більше, ніж очікувалося. Ефект є надзвичайно малим прискоренням в бік Сонця, , що еквівалентно зменшенню вихідної швидкості на 1 км/год протягом десяти років. Два космічні апарати були запущені в 1972 і 1973 роках і аномальне прискорення було вперше помічено ще в 1980-х, але серйозне дослідження почалося 1994 року. Останнє повідомлення з космічного апарата отримано 2003 року, але аналіз записаних даних продовжується.
Запропоновано різноманітні пояснення аномалії, від простих технічних особливостей космічних апаратів до перегляду законів тяжіння. Найбільш прийнятне та поширене пояснення у період 1998—2012 рр.: космічний апарат, який оточений ультра-високим вакуумом і живиться від радіоізотопного термоелектричного генератора (РТГ), може відводити тепло тільки шляхом теплового випромінювання. Якщо через особливості конструкції апарата більше тепла випромінюється в певному напрямку — те, що відомо як радіаційна анізотропія — то космічний апарат буде розганятися в бік, протилежний до напрямку надмірного випромінювання через віддачу теплових фотонів — силу теплової віддачі. Якщо надлишок випромінення і відповідний тиск випромінення було спрямовано в напрямку від Сонця, швидкість віддалення космічного апарата від Сонця мала б зменшуватися зі швидкістю більшою, ніж можна було б пояснити раніше врахованими силами, такими як гравітація і тертя міжпланетного середовища (недосконалий вакуум).
Станом на 2012 р. кілька праць виконаних різними групами, присвячених аналізу впливу сил теплового випромінювання космічного апарата показали, що ретельне урахування всіх таких сил може пояснити всю аномалію. Отже, причина, ймовірно, була приземленою і не вказує на будь-які нові фізичні явища або потребу в іншій фізичній парадигмі. Найдетальніший на сьогоднішній день аналіз деякими з оригінальних дослідників спеціально розглядає два методи оцінки теплових сил і зазначає, що «ми не знаходимо статистично значимої різниці між двома оцінками і робимо висновок, що після належного врахування сил теплової віддачі жодного аномального прискорення не залишається.»
Опис «Піонер-10» і «Піонер-11» були відправлені на місію до Юпітера й Юпітера/Сатурна відповідно. Обидва кораблі були спін-стабілізовані для того, щоб зберегти їх антени з високим коефіцієнтом підсилення спрямованими на Землю за допомогою гіроскопічних сил. Хоча космічний апарат мав двигуни, після планетарних зустрічей їх використовували лише для піврічних маневрів конічного сканування для відстеження Землі на її орбіті, тобто апарат перебував на довгій «круїзній» фазі через зовнішню Сонячну систему. У цей період з обома апаратами неодноразово зв'язувались для отримання різних вимірів їх фізичного середовища, що забезпечило цінну інформацію після того, як їх початкові місії були завершені.
Оскільки космічні апарати летіли майже без додаткових стабілізаційних включень двигунів під час «круїзу», щільність середовища Сонячної системи можна характеризувати по силі її впливу на рух космічного апарата. У зовнішній Сонячній системі цей ефект буде легко прорахований на основі наземних вимірювань дальнього космічного середовища. Коли ці ефекти були враховані, поряд з усіма іншими відомими ефектами, розрахована позиція Піонерів не узгоджувалась з результатами вимірювань, заснованих на термінах повернення радіосигналів з космічного апарата. Вони послідовно показували, що обидва апарати були ближче до внутрішньої частини Сонячної системи, ніж вони повинні бути, на тисячі кілометрів — незначно в порівнянні з відстанню від Сонця, але все ж статистично значуще. Ця очевидна невідповідність зростала з плином часу при повторних вимірах, припускаючи, що те, що викликає аномалію, як і раніше діє на космічні апарати.
По мірі зростання аномалії виявилося, що космічні апарати рухаються повільніше, ніж очікувалося. Вимірювання швидкості апаратів на основі ефекту Доплера показали те ж саме: спостережуваний червоний зсув був меншим, ніж очікувалося, що означає, що «Піонери» сповільнилися більше, ніж очікувалося.
Коли всі відомі сили, що діють на космічний апарат, були враховані, залишилися дуже маленькі, але незрозумілі сили. Вони виявились причиною приблизно постійного прискорення в напрямку Сонця для обох космічних апаратів. Якщо позиції корабля були передбачені на початку року на основі виміряної швидкості і відомих сил (в основному тяжіння), в кінці року їх виявляли близько 400 км ближче до Сонця, ніж розрахункова відстань. Ця аномалія, ймовірно, пояснюється силами теплової віддачі.
Пояснення: сили теплової віддачі Починаючи з 1998 року з'явилися припущення, що вплив сил теплової віддачі сил був недооцінений, і вони, можливо, могли б пояснити всю аномалію. Однак, точно врахувати теплові сили було важко, тому для цього потрібні телеметричні записи температур апарата і детальна теплова модель, жодне з яких не було доступне в той час. Крім того, всі наявні теплові моделі прогнозували зниження ефекту з плином часу, який не фігурує в первинному аналізі.
По одному ці заперечення були розглянуті. Було виявлено і перетворено у сучасний формат багато старих записів телеметрії,See pp. 10–15 in це дало цифри енергоспоживання і температури для деяких деталей космічного корабля. Кілька груп побудували детальні теплові моделі, які можуть бути перевірені на відомих температурах і силах і дозволяють розрахунок сили віддачі. Більш тривалий термін навігаційних записів показав, що прискорення насправді зменшується.
У липні 2012 року Слава Туришев зі співавтором опублікував статтю в Physical Review Letters, яка пояснювала аномалію; в ній досліджувався вплив сил теплової віддачі на «Піонер-10» і було зроблено висновок, що не залишається жодного аномального прискорення після належного врахування сил теплової віддачі. Хоча ця праця є найбільш детальним аналізом на сьогоднішній день, пояснення на основі сили термальної віддачі має підтримку з боку інших незалежних дослідницьких груп, які використовують різні обчислювальні методи. Одна з них зазначає, що «хоча тиск теплової віддачі не є причиною аномалії обльоту Розетти, він ймовірно усуває аномальне прискорення, яке спостерігається для „Піонер-10“.».
Свідчення з інших місій
Піонери унікально підходили для виявлення ефекту, тому що вони летіли протягом тривалого періоду часу без додаткових коригувань курсу. Більшість зондів глибокого космосу, запущених після «Піонерів» або зупинились на одній з планет, або використовували включення двигунів протягом всієї своєї місії.
Апарати Вояджер мали профілі місії, схожі на «Піонерів», але спін не стабілізувалася. Замість цього, вони вимагали частих включень їх двигунів для орієнтації на Землю. Такі космічні апарати як Вояджер набувають невеликих і непередбачуваних змін в швидкості як побічний ефект частих коригувальних включень. Цей «шум» робить непрактичним вимірювання малих прискорень, таких як ефект Піонера; прискорення менші за 10−9 м/с² будуть непомітні.
Нові космічні апарати використовували спін стабілізації для частини або всієї їх місії, в тому числі і «Галілео» і «Улісс». Ці космічні апарати вказують на аналогічний ефект, хоча і з різних причин (наприклад, їх відносна близькість до Сонця) остаточні висновки не можуть бути вилучені з цих джерел. Місія «Кассіні» для орієнтації має реакційні колеса та двигуни для орієнтації, і під час круїзу може протягом тривалого часу використовувати лише реакційні колеса, що дозволяє точність вимірювань. Вона також мала радіоізотопні термоелектричні генератори (РТГ) встановлені близько до тіла корабля тіла, які випромінювали кіловати тепла в важко прогнозованих напрямках. Зокрема, Додаток C.
Після того, як «Кассіні» прибув на Сатурн, він втратив більшу частину своєї маси після використання палива на перехід на орбіту довкола Сатурна та запуску зонду «Гюйгенс». Це збільшує прискорення, викликане силами випромінення, тому що тепер вони діють на меншу масу. Ця зміна в прискоренні дозволяє виміряти сили випромінення незалежно від будь-якого гравітаційного прискорення. Порівняння даних круїзної орбіти і орбіти довкола Сатурна показало, що для «Кассіні» майже всі непрогнозовані прискорення відбулися за рахунок сили випромінення, лише з невеликим залишковим прискоренням, набагато меншим, ніж прискорення «Піонера», й з протилежним знаком."ref></ref"
Потенційні проблеми пояснення силами теплової віддачі Аномалія має дві особливості які не пояснюються запропонованим моделями сил теплової віддачі: періодичні варіації аномалії і початок прояву аномалії поблизу орбіти Сатурна.
Аномалія має видимі річну та добову періодичності амплітуда яких формально більша, ніж величина помилки. Проте ці проблеми, скоріше за все, ніяк не пов'язані з аномалією, а є проявами однієї і тієї ж проблеми моделювання орієнтації відносно вибраної системи відліку.
Щодо другої особливості, то величина аномалії, виміряна під час і після зустрічі «Піонера-11» з Сатурном, за своїм розміром значно менша за невизначеність цієї величини Автори пояснення силами теплової віддачі 2012 року порівнювали тепловий аналіз лише зі шляхом «Піонера-10». Ефект Піонера не спостерігався, поки «Піонер-10» не пройшов Сатурн. Однак згідно з останнім аналізом, прояв ефекту Піонера лише за межами орбіти Сатурна може бути результатом неправильного моделювання впливу сонячної теплової енергії і при ретельнішому аналізі даних першого відрізку траєкторії особливість може були виправлена.
Попередні пояснення До широкого сприйняття пояснення силами теплової віддачі, інші запропоновані пояснення ділились на два класи — «звичайні причини» або «нова фізика». Звичайні причини включали ефекти, які були не поміщені або неправильно змодельовані в первинному аналізі, такі як похибка вимірювання, тяга від витоку газу або нерівномірне теплове випромінювання. Пояснення «нової фізики» пропонували перегляд нашого розуміння гравітаційної фізики.
Якби аномалія Піонера була гравітаційним наслідком деяких далекобійних модифікацій відомих законів тяжіння, він не вплинув на орбітальний рух великих природних тіл тим же способом (зокрема зміщення в регіони, в яких ефект Піонера вперше проявився в його відомій на цей час формі). Отже, для гравітаційного пояснення потрібно порушити принцип еквівалентності, який стверджує, що сила тяжіння діє на всі об'єкти однаково. Тому одні доводили Also published in , що все точніші вимірювання і моделювання руху зовнішніх планет і їх супутників відкидають можливість того, що аномалія «Піонера» є явищем гравітаційного походження, а інші вважали, що наші знання про рух зовнішніх планет і карликової планети Плутона недостатні, щоб спростувати гравітаційний характер аномалії. Існування гравітаційного додаткового прискорення типу «Піонера» на околицях Сонячної системи зараз відкинуто на основі аналізу ряду транснептунових об'єктів.
Величина ефекту Піонера () за значенням дуже близька до результату множення () швидкості світла і постійної Габбла , натякаючи на космологічний зв'язок, але зараз вважається, що ця близькість не має особливого значення.
Так огляд Лабораторії реактивного руху 2010 року, здійснений Туришевим та Тотом стверджує, що космологічний зв'язок виключений розглядом досить звичайних джерел, тоді як інші вчені представили спростування, ґрунтуючись на фізичних наслідках самих космологічних моделей.