Группа физиков из Института плазмы и ядерного синтеза и Университета Порту (оба — Португалия) разработала модель, в которой аномалия «Пионеров» объясняется воздействием собственного теплового излучения аппаратов.

«Пионер-10» и «Пионер-11», напомним, постепенно удаляются от Солнца и в настоящий момент находятся на расстоянии около 103 и 83 а. е. от него. Гравитационное воздействие звезды естественным образом замедляет движение зондов, но тщательное изучение данных телеметрии показывает, что «Пионеры» тормозятся несколько быстрее, чем следовало бы. В этом и заключается суть аномалии: согласно расчётам, аппараты испытывают воздействие силы неизвестного происхождения, которая сообщает им ускорение а = (8,74 ± 1,33)•10^–10 м/с², направленное в сторону Солнца.

«Пионер-10» (иллюстрация НАСА / JPL).

Неожиданный эффект заинтересовал теоретиков, выдвинувших самые разные варианты его объяснения. Все их можно разделить на две группы: в первую попадут «прозаические» объяснения, а во вторую — схемы, основанные на некоей новой физике. Интерес к экзотическим гипотезам подогревается тем, что модуль ускорения приблизительно равен произведению скорости света на постоянную Хаббла.

Вариант, предложенный португальскими учёными, относится, разумеется, к первой группе. Стоит заметить, что попытки объяснить аномалию влиянием теплового излучения «Пионеров» уже предпринимались, и рассчитанное в рамках этой гипотезы «аномальное» ускорение составляло 33–67% от нужного значения. Одна из последних работ на эту тему была опубликована в 2010 году в журнале Space Science Reviews.

Теперь португальцы — авторы статьи в Space Science Reviews — усложнили свою модель, выполнив боле детальный расчёт отражения излучения. Новая версия теоретического описания аномалии базируется на известном методе подсветки поверхностей, который используется в компьютерной графике и был разработан в семидесятых годах прошлого века сотрудником Университета Юты Ву Тонг Фонгом. В основе самой техники затенения по Фонгу лежат модель отражения, учитывающая зеркальный и диффузный компонент, и интерполяционный метод для плавных искривлённых поверхностей, которые имитируются с помощью набора многоугольников. Алгоритм Фонга считается медленным, но даёт качественные результаты.

Общая схема моделирования в случае «Пионера» довольно проста: сначала учёные задают распределение источников излучения и оценивают силу, приложенную к испускающим поверхностям. После этого определяются поверхности, на которые излучение падает, и рассчитываются воздействующие на них силы. Затем физики восстанавливают картину отражённого излучения и проводят все необходимые вычисления уже для него, повторяя эту процедуру столько раз, сколько потребуется.

Геометрическая модель «Пионера». На виде сбоку показано расположение радиоизотопного генератора и приборного отсека относительно антенны. Размеры проставлены в миллиметрах. (Иллюстрация авторов работы.)

В геометрической модели «Пионера» мелкие детали и некоторые особенности поверхностей зонда не учитываются, но основные его элементы (параболическая антенна, расположенный за ней отсек для приборов и оборудования и два радиоизотопных термоэлектрических генератора цилиндрической формы, закреплённых на трёхстержневых фермах) — присутствуют. Поскольку зонд стабилизируется вращением, при расчётах можно ограничиться осью z, совпадающей с осью антенны.

Основными источниками теплового излучения служат, как нетрудно догадаться, радиоизотопные генераторы и приборный отсек, где находятся потребители электроэнергии. Генератор легко моделируется двумя ламбертовскими (подчиняющимися закону Ламберта) излучателями в основаниях цилиндра, причём вклад одного из них можно не принимать во внимание, а второй будет давать излучение, которое отражается и от антенны, и от приборного отсека. На каждую из шести боковых стенок последнего физики выделили по четыре ламбертовских источника, а на переднюю стенку, смотрящую в космическое пространство, — один. В упомянутом выше исследовании 2010 года излучение задней стенки отсека, обращённой в сторону антенны, не рассматривалось, но сейчас ей досталось целых шесть источников, равномерно распределённых по её шестиугольной поверхности.

Ламбертовские излучатели на основаниях радиоизотопных генераторов и боковых стенках приборного отсека (иллюстрация авторов работы.)

Временнóе изменение теплового ускорения «Пионеров», которое определяется периодом полураспада плутония в радиоизотопных генераторах, равным 87,74 года, и некоторыми менее очевидными факторами, авторы оценивали по классическому методу Монте-Карло. Конечно, указанная в начале заметки величина рассчитана в предположении о постоянном ускорении, но постепенно уменьшающееся «аномальное» ускорение, как утверждают португальцы, не противоречит данным.

Как выяснилось, через 8 лет после старта «Пионеров» (то есть в начале восьмидесятых) тепловое ускорение должно было составлять (8,9 ± 2,0)•10^–10 м/с²; это значение практически не отличается от расчётного постоянного ускорения. Через 17 лет после запуска смоделированная термальная составляющая упала до (7,1 ± 1,6)•10^–10 м/с², а ещё через 9 лет — до (5,8 ± 1,3)•10^–10 м/с².

Цифры, как видим, говорят о том, что тепловые эффекты сыграли решающую роль в появлении аномалии или вообще стали единственной причиной этого. «Остаётся лишь дождаться результатов от других групп, занятых аналогичными расчётами, — резюмирует участник исследования Орфеу Бертолами (Orfeu Bertolami). — Надеюсь, серьёзных расхождений не будет».

Препринт статьи, написанной г-ном Бертолами и его коллегами, можно скачать с сайта arXiv.

подготовлено по материалам Space.Com
источник: Дмитрий Сафин, Компьюлента.ру.