Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 19 – vyšlo 11. května, ročník 10 (2012)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

První rozumné vysvětlení anomálie pohybu sond Pioneer

Petr Kulhánek

Sondy Pioneer 10 a 11 jsou vůbec nejstarší misí člověka ke vzdáleným planetámPlaneta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne kulového tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) vyčistí okolí své dráhy od drobnějších těles. Planetami jsou Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. V poslední době se název planeta vžil i pro exoplanety obíhající kolem jiných hvězd, než je naše Slunce.. Sonda Pioneer 10 startovala v roce 1972 a letos v březnu uplynulo 40 let od jejího vypuštění. Sonda Pioneer 11 opustila Zemi o rok později. Pioneer 10 pořídil první blízké snímky planety Jupiter, zmapoval silné radiační pásy a zjistil, že JupiterJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. je převážně kapalný. V prosinci 1973 proletěl kolem Jupiteru ve vzdálenosti 130 354 km. Druhá sonda, Pioneer 11, minula Jupiter v prosinci 1974 ve výšce 43 000 km nad oblačným příkrovem a byla jeho gravitačním polem urychlena na 173 000 km/h směrem k SaturnuSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm⁻³ je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou.. Sonda Pioneer 11 získala snímky velké červené skvrny, poprvé fotografovala polární oblasti planety a určila hmotnost měsíce Callisto. K Saturnu se sonda přiblížila na pouhých 10 000 km, pořídila snímky planety a prstenců, objevila dva nové měsíce, sledovala Saturnovu magnetosféru a měsíc TitanTitan – největší Saturnův měsíc s průměrem 5 150 km. Byl objeven v roce 1655 Christiaanem Huygensem. Má hustou atmosféru, v níž převažuje dusík s trochou metanu. Tlak atmosféry na povrchu je 1,5 atm, teplota −180 °C. Měsíc Titan je větší než planeta Merkur. Často se spekuluje o možnosti primitivních forem života na Titanu.. Obě sondy byly bohatě vybaveny mnoha přístroji pro výzkum slunečního větruSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera. a po průzkumu velkých planet se vydaly do vnějších částí sluneční soustavy. Pro náš server není bez zajímavosti, že sonda Pioneer 10 míří ke hvězdě AldebaranAldebaran – α Tauri, nejjasnější hvězda ze souhvězdí Býka. Jde o oranžového obra s poloměrem 38 krát větším než Slunce, jasností 0,87 magnitudy a spektrální třídou K5. Aldebaran má trpasličího průvodce spektrální třídy M2. Aldebaran je od nás vzdálený 65 světelných let a má nepravidelně proměnnou jasnost s amplitudou 0,2 magnitudy. Název hvězdy pochází z arabštiny a znamená „Ten, který sleduje“. V názvu je tak vystiženo, že Aldebaran na své pouti noční oblohou sleduje výraznou hvězdokupu Plejády.. Dolétne k ní ale až za 2 miliony let. Obě sondy jsou vybaveny plaketou, která je připevněna k opěrám hlavní antény a nese základní informace o naší civilizaci. Poselství případným nálezcům sond navrhnul americký astronom Carl Sagan.

Po prolétnutí přibližně 20 astronomických jednotekAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů. se u obou sond začaly projevovat odchylky od dráhy předpovězené z gravitačního zákona. U obou sond bylo zjištěno velmi malé zrychlení směrem ke SlunciSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium., jehož hodnota sice činila pouhých 9×10⁻¹⁰ m/s², ale přesto byla průkazně měřitelná. Počáteční šok vystřídalo badatelské nadšení mnoha vědeckých skupin. Jedna hypotéza střídala druhou. Někteří tvrdili, že by mohlo jít o brzdění sond interakcí s temnou hmotouTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou., jiní, že klíčem k řešení jsou strunová teorieStruny – jednodimenzionální útvary ve vícerozměrném světě (uzavřené nebo otevřené), jejichž vibrační stavy odpovídají jednotlivým elementárním částicím. Jde o podstatný prvek tzv. strunových teorií, které se pokoušejí spojit svět kvantové teorie se zakřiveným prostoročasem obecné relativity., extradimenze a supersymetrieSUSY – SUSY (SUper SYmmetry), supersymetrie, symetrie mezi fermiony a bosony, která by se měla projevovat při vysokých energiích. Ke každému fermionu by měl existovat superpartner, který je bosonem, a naopak ke každému bosonu by měl existovat superpartner, který je fermionem. Názvy superpartnerů tvoříme příponou „ino" pro bosony a předponou „s“ pro fermiony. Tedy například foton – fotino, elektron – selektron. Přestože se tyto superpartnery zatím nepodařilo experimentálně pozorovat na urychlovači LHC, představuje supersymetrie významnou ingredienci v teorii superstrun.. Nejodvážnější viděli v nepatrné odchylce od vypočtené dráhy nutnost modifikovat obecnou relativituObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. nebo dokonce potřebu nové teorie gravitaceGravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají.. V současné době se zdá být nejpravděpodobnějším zdrojem dodatečného zrychlení sond tepelné vyzařování jejich přístrojů, které jsou v sondě umístěny asymetricky a jejichž energie pochází z radioizotopových generátorůRTG – radioizotopový termoelektrický generátor, zdroj energie využívaný pro mise sond do nejvzdálenějších částí Sluneční soustavy, kde jsou klasické solární panely neúčinné. Základem RTG generátoru je kapsle z radioaktivního materiálu, zpravidla plutonia. Při rozpadu se uvolňuje velké množství tepla, které se v termočláncích konvertuje na elektřinu. Odpadní teplo je vyzařováno do okolního prostoru. RTG články mohou dodávat energii přístrojům několik desítek let..

Pioneer

Sonda Pioneer 11 u Saturnu.

NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších.

Plutonium – šestý člen z řady aktinoidů, druhý transuran, silně radioaktivní toxický kovový prvek, připravovaný uměle v jaderných reaktorech především pro výrobu atomových bomb. Plutonium má poločas rozpadu přibližně 88 roků. Je využitelné rovněž jako palivo pro jaderné reaktory a jako zdroj energie pro radioizotopový termoelektrický generátor. Plutonium bylo poprvé připraveno roku 1940 dvěma vědeckými týmy bombardováním uranu 238 neutrony. V Berkeley jej připravili Edwin M. McMillan a Philip Abelson a v britské Cambridgi Norman Feather a Egon Bretscher. Plutonium je pojmenováno po trpasličí planetě Pluto.

RTG – radioizotopový termoelektrický generátor, zdroj energie využívaný pro mise sond do nejvzdálenějších částí Sluneční soustavy, kde jsou klasické solární panely neúčinné. Základem RTG generátoru je kapsle z radioaktivního materiálu, zpravidla plutonia. Při rozpadu se uvolňuje velké množství tepla, které se v termočláncích konvertuje na elektřinu. Odpadní teplo je vyzařováno do okolního prostoru. RTG články mohou dodávat energii přístrojům několik desítek let.

Sondy Pioneer

Ve své době byly sondy Pioneer vybaveny nejmodernějšími přístroji a technologiemi. Velikost sond je 2,7×2,9 m a každá z nich má hmotnost 260 kg. Sondy byly rotačně stabilizovány – pět otáček za minutu vzhledem k ose hlavní (vysokoziskové) antény udržovalo tuto anténu trvale namířenou směrem k ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.. Kromě této antény využívaly sondy ještě dvě další antény – anténu se středním ziskem a malou anténu s nízkým ziskem. Na první pohled zaujme mísa hlavní radiové antény. Z přístrojové části vybíhají ze sondy tři větší ramena. Na nejdelším je umístěn vektorový magnetometr a na dvou kratších čtveřice radioizotopových generátorůRTG – radioizotopový termoelektrický generátor, zdroj energie využívaný pro mise sond do nejvzdálenějších částí Sluneční soustavy, kde jsou klasické solární panely neúčinné. Základem RTG generátoru je kapsle z radioaktivního materiálu, zpravidla plutonia. Při rozpadu se uvolňuje velké množství tepla, které se v termočláncích konvertuje na elektřinu. Odpadní teplo je vyzařováno do okolního prostoru. RTG články mohou dodávat energii přístrojům několik desítek let., která poháněla sondu. Generátory jsou zdrojem tepla, a proto byly umístěny mimo sondu, kde bylo nadbytečné teplo vyzařováno do prostoru. Z přístrojové části vychází ještě dvě menší konstrukce. Na jedné je připevněn sluneční senzor, na druhé čidlo pro detekci planetekPlanetka – nesprávně asteroid, malé těleso o rozměrech maximálně stovek kilometrů na samostatné dráze kolem Slunce. Nejvíce planetek se nachází v tzv. Hlavním pásu mezi drahami Marsu a Jupiteru. Obdobná tělesa jsou i v Kuiperově pásu za drahou Neptunu. a meteoroidůMeteoroid – těleso obvykle vzniklé postupným rozpadem komet nebo planetek Hlavního pásu mezi Marsem a Jupiterem. Některé meteoroidy mohou být pozůstatkem původního materiálu, z něhož vznikala Sluneční soustava. Meteoroidy se pohybují v meziplanetárním prostoru.. Přímo na plášti přístrojové části je umístěna řada čidel: infračervený radiometr, ultrafialový fotometr, plazmový analyzátor, detektor nabitých částic, detektor kosmického zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku., Geigerův počítač (navrhoval ho významný americký fyzik James van Allen), zobrazovací fotopolarimetr a Čerenkovův detektorČerenkovův detektor – detektor částic využívající kužele Čerenkovova záření za nabitou částicí pohybující se v daném prostředí nadsvětelnou rychlostí. Bývá součástí detektorů na velkých urychlovačích. Často se využívá k detekci elektronů nebo mionů v podzemních nádržích naplněných vodou. Stěny nádrží jsou pokryty fotonásobiči detekujícími světelný kužel. Jinou variantou jsou aerogelové Čerenkovovy detektory umísťované na sondách. Dalším typem detektoru je speciální pozemský dalekohled, který sleduje Čerenkovovo záření vznikající v atmosféře ze sekundárních spršek kosmického záření. zachycených částic. Vybavení sondy bylo i na dnešní dobu zcela mimořádné. Sondy poskytovaly kvalitní data přes 20 let. Postupně přestávaly pracovat některé přístroje a izotopové generátory dodávaly stále méně energie. Se sondou Pioneer 11 bylo ztraceno spojení na konci roku 1995. Pioneer 11 byl do 17. února 1998 nejvzdálenějším tělesem vyslaným člověkem do vesmíru. Tehdy se do větší vzdálenosti dostala sonda VoyagerVoyager – dvojice sond NASA, která startovala v roce 1977 pomocí nosných raket Titan/Centaur. V roce 1979 proletěly obě sondy kolem Jupiteru, v roce 1980 (Voyager 1) a 1981 (Voyager 2) kolem Saturnu. Voyager 2 pokračoval dále k Uranu (1986) a Neptunu (1989). Obě sondy se zásadním způsobem zasloužily o poznání Sluneční soustavy a dnes jsou nejvzdálenějšími objekty, které lidstvo vyslalo do vesmíru. 1 s vyšší rychlostí. Voyager ale míří na opačnou stranu od Slunce. Komunikace se sondou Pioneer 10 byla ztracena v lednu 2003 – tato sonda fungovala neuvěřitelných 30 roků. V roce 2012 je Pioneer 10 vzdálený od Slunce 105 AUAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů. a opouští sluneční soustavu rychlostí 2,54 AU za rok. O něco pomalejší Pioneer 11 je vzdálený 85 AU a má rychlost 2 AU za rok.

Schéma sondy

Schéma sondy Pioneer. Zdroj: NASA.

Pioneer 10

Umělecká představa sondy Pioneer. Zdroj: NASA.

Zdroj energie

Zdrojem energie sond byly 4 radioizotopové termoelektrické generátoryRTG – radioizotopový termoelektrický generátor, zdroj energie využívaný pro mise sond do nejvzdálenějších částí Sluneční soustavy, kde jsou klasické solární panely neúčinné. Základem RTG generátoru je kapsle z radioaktivního materiálu, zpravidla plutonia. Při rozpadu se uvolňuje velké množství tepla, které se v termočláncích konvertuje na elektřinu. Odpadní teplo je vyzařováno do okolního prostoru. RTG články mohou dodávat energii přístrojům několik desítek let. uspořádané do dvou dvojic umístěných volně v prostoru na dvou menších ramenech. Spolu s magnetometrem dotvářely obraz sondy jako třínohého pavouka. Jádrem generátoru byl palivový článek z radioaktivního plutoniaPlutonium – šestý člen z řady aktinoidů, druhý transuran, silně radioaktivní toxický kovový prvek, připravovaný uměle v jaderných reaktorech především pro výrobu atomových bomb. Plutonium má poločas rozpadu přibližně 88 roků. Je využitelné rovněž jako palivo pro jaderné reaktory a jako zdroj energie pro radioizotopový termoelektrický generátor. Plutonium bylo poprvé připraveno roku 1940 dvěma vědeckými týmy bombardováním uranu 238 neutrony. V Berkeley jej připravili Edwin M. McMillan a Philip Abelson a v britské Cambridgi Norman Feather a Egon Bretscher. Plutonium je pojmenováno po trpasličí planetě Pluto. s poločasem rozpadu 88 let. Článek se skládal ze sloupce radioaktivních pelet, kolem něhož byly rozmístěny termoelektrické články převádějící uvolněné teplo na elektřinu. Zbytkové teplo bylo za pomoci žeber tepelného radiátoru vyzařováno do okolí. Každý generátor dodával zpočátku přibližně 40 wattů a celkový dodávaný výkon byl zhruba 160 wattů. Elektřina byla vedena do nitra sondy ke konečnému místu spotřeby, k subsystémům a přístrojům. Právě exponenciálně slábnoucí výkon generátorů byl příčinou nemožnosti další komunikace se sondami. Po vypnutí všech vnitřních i vnějších vědeckých přístrojů a čidel sonda Pioneer 10 k základnímu životu a komunikaci se ZemíZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. ještě potřebovala 20 W na subsystémy, pro nevědecká elektrická zařízení 17,5 W, pro zesilovač 21 W a pro vysílač 7 W, tedy celkem 65,5 W. Tento výkon byly generátory na sondě Pioneer 10 schopné dodávat jen do vzdálenosti necelých 70 AU.

vzdálenost	3 AU	10 AU	25 AU	40 AU	70 AU
vyráběný výkon	149 W	127 W	107 W	94 W	67 W
ztráty	7 W	5 W	4 W	3 W	2 W
výkon k dispozici	142 W	122 W	103 W	91 W	65 W

Výkon RTG generátorů sondy Pioneer 10. Zdroj [1].

Radioizotopový termoelektrický generátor RTG. A: termoelektrické články,
B: radioaktivní pelety, C: stínění před zpětným tepelným tokem,
D: palivový článek, E: žebra tepelného radiátoru. Zdroj [6]

Anomálie pohybu sond

Anomální pohyb sond byl detekován na počátku 80. let dvacátého století. Vážně se jím ale vědci začali zabývat až v roce 1994. Anomální zrychlení sondy bylo detekováno z jejího signálu za pomoci Dopplerova jevu a činilo po odečtení všech známých jevů pouhých 9×10⁻¹⁰ m/s² ve směru ke SlunciSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium., tedy jde o nepatrné brzdění sondy oproti vypočtené trajektorii. Mnozí vědci v naměřené hodnotě, která byla desetmiliardkrát slabší než gravitační přitahování Země, spatřovali nutnost úprav obecné relativity. Souběžně se vynořilo mnoho exotických pokusů o vysvětlení měřené hodnoty. Po mnoha letech sledování anomálie se ukázalo, že měřená hodnota exponenciálně klesá s charakteristickou časovou konstantouCharakteristická časová konstanta – konstanta pro exponenciálně probíhající děj, která vyjadřuje, za jakou dobu se sledovaná veličina změní e násobně, kde e je Eulerovo číslo (základ přirozených logaritmů). 27 roků. Na sondě byla přítomná jediná součástka vykazující exponenciální časový pokles – radioizotopový termoelektrický generátor (RTGRTG – radioizotopový termoelektrický generátor, zdroj energie využívaný pro mise sond do nejvzdálenějších částí Sluneční soustavy, kde jsou klasické solární panely neúčinné. Základem RTG generátoru je kapsle z radioaktivního materiálu, zpravidla plutonia. Při rozpadu se uvolňuje velké množství tepla, které se v termočláncích konvertuje na elektřinu. Odpadní teplo je vyzařováno do okolního prostoru. RTG články mohou dodávat energii přístrojům několik desítek let.). Stále větší procento fyziků dávalo do souvislosti měřené zrychlení s tepelným vyzařováním generátorů. Tato úvaha se zdála přímočará, ale měla dva zásadní háčky. Prvním bylo téměř všesměrové tepelné vyzařování obou generátorů, které by těžko udělilo sondě zrychlení směrem ke Slunci. Druhým byla charakteristická konstanta poklesu energie dodávané generátory. Ta činila 88 roků (poločas rozpadu plutonia) a nebyla v souladu s naměřenou hodnotou 27 let.

Zdá se, že celé záhadě přišel na kloub tým, který vede Slava Turyshev z NASA JPLNASA JPL – Jet Propulsion Laboratory, oddělení NASA zabývající se konstrukcí raketových pohonů. NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, založen byl v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších.. Pro sondu Pioneer 10 vytvořili kompletní numerický model tepelných toků v sondě. Za tím účelem museli kontaktovat konstruktéry a pamětníky stavby této dnes již velmi historické sondy. Zjistili, že vlastní radioizotopový generátor přispívá tepelným vyzařováním ke změně rychlosti sondy velmi málo. Na vině by podle numerických simulací měly být samotné přístroje, které jsou v sondě umístněny excentricky a tepelný tok z nich zahřívá na odvrácené straně od Slunce sondu a podle principu akce a reakce dochází k velmi nepatrnému brzdění sondy. Podle simulací je vliv tepelného ohřevu od přístrojů přibližně patnáctkrát vyšší než vliv samotných generátorů. Exponenciální pokles jevu způsobený snížením dodávky energie ze zdrojů má navíc jinou charakteristickou konstantu než samotný radioizotopový zdroj. Výsledky simulací jsou řádově v souladu s pozorovanými hodnotami a zdá se, že jedna z nočních můr fyziků byla úspěšně vyřešena.

Tepelná mapa sondy Voyager 10 simulovaná numerickou metodou konečných prvků pro vzdálenost od Slunce 40 AU. Nalevo nahoře – vnitřek sondy (modrá –16 °C, červená +10 °C). Vlevo dole: vnějšek sondy (modrá –155 °C, červená –108 °C). Napravo: celá sonda (modrá –213 °C, červená 136 °C). Zdroj: [2].

Pokles anomálního zrychlení pro sondu Pioneer 10. Plnou čarou je označeno anomální
zrychlení sondy, černými kroužky tepelné zrychlení vypočtené z modelu. Zdroj: [2].

Animace týdne: Pioneer 10

Pioneer 10. Animace je věnována jedné z dvojice sond Pioneer 10/11, která se v roce 1972 vydala jako první k planetě Jupiter a poté do vnějších částí sluneční soustavy. V animaci jsou dobové fotografie z konstrukce sondy a z výpočetního střediska včetně pořízených snímků planety Jupiter. Sonda má na své konstrukci připevněnu plaketu s poselstvím o naší civilizaci. Odmlčela se v lednu 2003. Důvodem ztráty komunikace byl nedostatek energie z radioizotopových generátorů. Sonda míří ke hvězdě Aldebaran, kam dolétne za 2 miliony let. Video, které připravila NASA, je vynikajícím dokumentem, který určitě stojí za zhlédnutí. Končí slovy Carla Sagana, autora plakety o naší civilizaci: „Jsme na cestě do vesmíru, abychom poznali sami sebe.“ (flv, 36 MB).

Odkazy