211service.com
Pionierafwijking opgelost door computergrafische techniek uit de jaren 70
In de afgelopen tien jaar is de Pioneer Anomaly een van de grote onopgeloste puzzels in de astrofysica geworden.
Het probleem is dit. De ruimtevaartuigen Pioneer 10 en 11 werden begin jaren zeventig in de richting van Jupiter en Saturnus gelanceerd. Na hun respectievelijke rondvluchten vervolgden ze hun ontsnappingstrajecten buiten het zonnestelsel, waarbij ze beide afremden onder de kracht van de zwaartekracht van de zon. Maar zorgvuldige metingen laten zien dat het ruimtevaartuig sneller afremt dan zou moeten, alsof het door een extra onzichtbare kracht naar de zon wordt getrokken.
Deze vertraging is klein: slechts (8,74 ± 1,33) × 10 ^ 10 ms ^ −2. De grote vraag is waar het vandaan komt.
De eerste gedachte van ruimtevaartuigingenieurs was dat de warmte die door het ruimtevaartuig wordt uitgestraald, precies dit soort vertraging zou kunnen veroorzaken. Maar toen ze onderzochten hoe warmte werd geproduceerd in het vaartuig, door plutonium aan boord, en hoe dit moet zijn uitgestoten, konden ze de cijfers niet optellen. Hoogstens zouden thermische effecten slechts 67 procent van de vertraging kunnen uitmaken, zeiden ze.
Dat leidde tot tal van andere ideeën, waarvan ik er enkele in deze blog heb behandeld. Vorig jaar hebben we bijvoorbeeld naar werk gekeken om de mogelijkheid uit te sluiten dat de zwaartekracht op deze afstanden sterker zou kunnen zijn, aangezien we een soortgelijk effect zouden moeten kunnen zien op de baan van andere verre objecten zoals Pluto.
Nu zeggen Frederico Francisco van het Instituto de Plasmas e Fusao Nuclear in Lissabon, Portugal, en een paar vrienden, dat ze hebben uitgezocht waar de thermische berekeningen misgingen.
Deze jongens hebben de berekeningen opnieuw gedaan met behulp van een computermodel van niet alleen hoe de warmte wordt uitgestraald, maar ook hoe deze wordt gereflecteerd door de verschillende delen van het ruimtevaartuig. De reflecties blijken cruciaal.
Eerdere berekeningen hebben alleen het effect van reflecties geschat. Dus Francisco en co gebruikten een computermodelleringstechniek genaamd Phong-schaduw om uit te zoeken hoe de uitgestraalde warmte precies wordt weerkaatst en in welke richting deze terechtkomt.
Phong-schaduw werd in de jaren 70 bedacht en wordt nu veel gebruikt in veel renderingpakketten om reflecties in drie dimensies te modelleren. Het is oorspronkelijk ontwikkeld om de reflecties van zichtbaar licht van 3D-objecten te verwerken, maar het werkt net zo goed voor infrarood licht, zeggen Francisco en co.
In het bijzonder heeft Phong-shading het Portugese team in staat gesteld om voor het eerst het effect op te nemen van de warmte die wordt uitgestraald door een deel van het ruimtevaartuig dat het hoofdapparatuurcompartiment wordt genoemd. Het blijkt dat de warmte van de achterwand van dit compartiment wordt gereflecteerd door de achterkant van de antenne van het ruimtevaartuig (zie bovenstaande afbeelding).
Aangezien de antenne naar de zon wijst, naar de aarde, zouden reflecties op zijn rug de neiging hebben om het ruimtevaartuig te vertragen. De straling van deze muur zal in een eerste iteratie weerkaatsen van de antenne en een bijdrage leveren aan de kracht in de richting van de zon, zeggen Francisco en co.
Kijk eens aan, deze extra krachtcomponent maakt het verschil. Zoals Francisco en co het uitdrukten: Met de hier gepresenteerde resultaten wordt het steeds duidelijker dat, tenzij er nieuwe gegevens komen, de puzzel van de abnormale versnelling van de Pioneer-sondes eindelijk kan worden opgelost. Met andere woorden, de anomalie verdwijnt.
Natuurlijk zullen andere groepen deze resultaten willen bevestigen en een team van het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, dat de gegevens over de sondes heeft verzameld, bestudeert momenteel zijn eigen computermodel van de thermische budgetten.
Het zal interessant zijn om te zien of ze het daarmee eens zijn. Als ze dat doen; probleem opgelost. Waarschijnlijk!
Referentie: arxiv.org/abs/1103.5222 : Modellering van de reflecterende thermische bijdrage aan de versnelling van het pioniersruimtevaartuig
Je kunt The Physics arXiv Blog nu volgen op Twitter