האנומליה של פיוניר

האנומליה של פיוניר, או אפקט פיוניר, היא סטייה בלתי צפויה של מספר גשושיות המבקרות במערכת השמש החיצונית, בעיקר פיוניר 10 ו-11, מהמסלול שצופה להן תורת היחסות הכללית. 

שתי הגשושיות נמצאות במסלול אל מחוץ למערכת השמש, והן מאטות תחת השפעת כוח המשיכה של השמש. עם זאת, ניתוח מדויק של תנועותיהן מראה שהן מאטות מעט יותר מן הצפוי. ניתן לתאר את האפקט כתאוצה חלשה נוספת לכיוון השמש.

כיום אין הסבר המקובל על הכול לתופעה. על אף שההסבר לתופעה יכול להיות בנאלי כמו דליפת גז היוצרת דחף בהתאם לחוק השלישי של ניוטון, קיימת אפשרות שהתאוריות המקובלות כיום אינן יכולות לתאר בצורה מדויקת את התנהגות הגשושיות ביחס לשמש.

תיאור התופעה
פיוניר 10 ו-11 נשלחו לכיוון צדק וצדק/שבתאי, בהתאמה. הגשושיות הן מיוצבות-סחרור, על מנת לשמור על האנטנות שלהן מכוונות אל כדור-הארץ. על אף שהגשושיות כוללות רקטות, אלו נותרו ללא שימוש לאחר ביצוע המשימה, והותירו את הגשושיות במסלול שיוט דרך האזורים החיצוניים של מערכת השמש. בתקופה זו הגשושיות המשיכו לשדר מידע באופן קבוע אל כדור הארץ, ובכך העבירו מידע בעל ערך הרבה אחרי תום תפקידן המקורי.

מכיוון שהגשושיות משייטות ללא שימוש בהינע חיצוני, ניתן לאפיין את הצפיפות של התווך שבמסלולן ומכך להסיק את מידת השפעתו על התנועה שלהן. בחלקים החיצוניים של מערכת השמש ניתן לחשב זאת בקלות יחסית, בהתבסס על מדידות שבוצעו מכדור הארץ. עם זאת, אחרי שמביאים זאת בחשבון, יחד עם כל האפקטים הפיזיקליים הרלוונטיים כמו הזמן שלוקח לאותות להגיע אל כדור הארץ, החישובים מראים באופן עקבי שהחלליות נמצאות קרוב יותר אל השמש משהן אמורות להיות, במרחק של כמה אלפי קילומטרים - מעט יחסית לסדרי הגודל של המרחק אל השמש, ועם זאת מובהק מבחינה סטטיסטית. ההבדל הזה גדל עם הזמן, דבר שמצביע על כך שמה שגרם לכך מלכתחילה עדיין משפיע על הגשושיות.
עם גדילת האנומליה, נראה היה שהגשושיות נעות לאט יותר מהצפוי. מדידה ישירה תוך שימוש באפקט דופלר אישרה שישנה האטה קבועה במהירותן.

לאחר שהגיעו נתוני המהירות והמיקום של גשושיות פיוניר 10 ו-11 כפי שנמדדו על ידי המכשירים שעליהן, התגלה שגם כאשר לוקחים בחשבון את כל הכוחות הפועלים על הגשושיות נשארת תאוצה בלתי מוסברת של  מטר לשנייה בריבוע, לכיוון השמש.

גם הנתונים שהגיעו מגלילאו ומיוליסס הצביעו על אפקט דומה, אם כי ממספר סיבות, כמו קרבתן לשמש, הגשושיות האלה לא היו יכולות לספק מסקנות חד-משמעיות. המשותף לגשושיות בהן האפקט משמעותי הוא שהן מיוצבות על ידי סחרור, בגשושיות המיוצבות על ידי גירוסקופים בשלושה צירים האפקט כמעט ולא מורגש.

למעשה, גם בגשושיות בהן האפקט גדול יותר, הוא בקושי מורגש ויכול להוות טעות סטטיסטית הנובעת משינויים בדרך שבה נאספים הנתונים מהגשושיות במהלך המשימה. מספר שינויים נעשו במהלך פעילות המשימות האמורות, והם כוללים החלפה של מכשירי איסוף הנתונים, של אתרי ההפעלה ושל התוכנה האוספת את הנתונים. האגודה הפלנטרית התמסרה לעניין ביוני 2007. הם העבירו את כל הנתונים לאותו פורמט ובדקו האם התאוצה הבלתי-מוסברת פונה לכיוון כדור הארץ - שאז ניתן לפטור אותה כטעות אנוש - או שהיא פונה לכיוון השמש, דבר שמצביע על אפקט ממשי.

הסברים אפשריים
לסתירה בין הצפי לנתונים בפועל ניתנו מספר הסברים אפשריים, בהם:
שגיאות הבחנה, כולל שגיאות מדידה וחישוב, בקביעת התאוצה הפועלת על הגשושית.
שגיאות סטטיסטיות.
שגיאות חישוב - לא סביר, מאחר שהחישוב נעשה חמש פעמים באופן בלתי תלוי, וכל החישובים הראו את האפקט.
כוח נוסף שלא נכנס לחישוב, כמו:
כוחות כבידתיים ממקור לא מזוהה דוגמת חגורת קויפר, טיכה או חומר אפל. אם כי כוח זה יפר את עקרון השקילות מאחר שנראה שהוא לא משפיע על גופים אחרים במערכת השמש.
כוחות אלקטרומגנטיים הפועלים על הגשושית בגלל המצאות מטען חשמלי עליה.
לחץ המופעל על ידי חומר בין-כוכבי כמו אבק, קרינה קוסמית ורוח השמש. אם כי חישובים הראו שצפיפות החומר הזה קטנה מכדי לגרום לאפקט.
לחץ פוטוני המופעל על הגשושית על ידי הקרינה מהשמש (בדומה לעיקרון עליו מבוססת ההצעה למפרש שמש). אם כי במרחקים כמו אלה שהגשושית משייטת בהם הלחץ הזה קטן מאוד, ומלבד זאת הוא פועל בכיוון ההפוך.
קרינת חום ממחוללי החשמל הגרעיניים של הגשושית (המבוססים על דעיכת איזוטופים רדיואקטיביים), או מהמכשירים החשמליים שלה, שנפלטה באופן א-סימטרי, או שנפלטה לכיוון אנטנת הצלחת הראשית של הגשושית וכך גרמה לאפקט דומה ללחץ פוטוני. באפריל 2008 הועלתה השערה כי גורמים אלה עשויים להסביר 28%–36% מהתאוצה לכיוון השמש.
ייתכן ששידור הנתונים מהגשושית על ידי קרינת רדיו הפעיל כוח על הגשושית בכיוון ההפוך, בהתאם לחוק השלישי של ניוטון. אם כי השידורים היו מעטים וחלשים מכדי לגרום לאפקט, וכיוונם הפוך מהדרוש למטרה זו.
דליפת גז מהמחוללים של הגשושית.
תאוריות חדשות:
האצת שעונים הנובעת מהתפשטות המרחב-זמן, שגורמת להגדלת הפוטנציאל הגרוויטציוני ביקום, ובכך להאצה של קצב השעונים ביקום, בשילוב עם התאוצה הקבועה של החלליות.
תיקון של החוק השני של ניוטון בתאוריה הנקראת "דינמיקה ניוטונית מתוקנת" וגורסת שבתאוצות קטנות ישנה סטייה מהתחזית של החוק השני של ניוטון.
הקטנת תדירות של פוטונים הנפלטים מהגשושית, כתוצאה מהשלכות של גאומטריית וייל. השערה זו קושרת את האנומליה של פיוניר עם פרמטר האבל דרך גאומטריה משותפת, ובמובן מסוים מבהיר את הצורך להניח התפשטות של המרחב-זמן שתגרום להקטנת תדירות של פוטונים - אפקט דומה לזה של "אור עייף" (tired light) אלא שהוא נוצר כתוצאה מהגאומטריה של המרחב-זמן ולא מכוחות כבידה חזקים.

אפשרויות להמשך מחקר
גשושיות הפיוניר כבר לא מספקות מידע, הגשושית גלילאו נשרפה בכוונה תחילה כאשר שולחה לחקור את אטמוספירת צדק בסוף משימתה, ועד עתה הנתונים מקאסיני לא סיפקו תוצאות חד-משמעיות. עם זאת, נותרו מספר אפיקי מחקר אחרים:

ניתוח וניסיון להסקת מסקנות נוספות מהנתונים שנאספו זה מכבר על ידי פיוניר. הניתוח בו דובר כאן, מקורו בנתונים שנאספו משנת 1987 והלאה; נתונים שניתנו לפני שנה זו נותרו ללא ניתוח וניתוחם אפשר שייתן תובנות חדשות על התופעה. האגודה הפלנטרית הוציאה קול קורא לחבריה בכל העולם לחקור את התופעה ואף הקימה קרן לאיסוף כספים שישמשו למחקר. כרגע עובד בכיוון זה צוות מחקר במעבדת JPL של נאס"א.
הגשושית ניו הוריזונס היא גשושית מיוצבת-סחרור המתעתדת לחקור את פלוטו, כארון וירחיהם, והנתונים ממנה יכולים לשפוך אור חדש על התופעה. עם זאת, יכול להיות שהנתונים מניו-הוריזונס לא יצביעו על סטייה משום שהמנוע מורכב קרוב לגוף הגשושית כך שקרינת החום שמופקת ממנו תיצור דחף שיוחזר באופן סימטרי וימנע את האפקט, בדומה למצב בקאסיני. אם גם ניו-הוריזונס, כמו קאסיני, לא תראה אפקט, הדבר יחזק את ההשערה שמקורו בקרינת חום.
שליחת משימה שכל יעודה יהיה לחקור את התופעה הוצעה לסוכנות החלל האירופאית. משימה זו, אם תצא, תצטרך לעבור יותר מ-200 יחידות אסטרונומיות במסלול בריחה היפרבולי כדי שהאפקט יהיה משמעותי.
צפייה בתנועת אסטרואידים שמרחקם מהשמש הוא בסביבות 20 יחידות אסטרונומיות יכול לסייע בהבנת התופעה אם הסיבה היא כבידתית.

כנסים העוסקים באנומליה
בשנים האחרונות נערכו מספר כנסים שכותרתם הייתה חקר האנומליה של פיוניר. הגדולים והבולטים שבהם הם:
כנס שנערך בשנת 2004 באוניברסיטת ברמן.
כנס שנערך בשנת 2005 במכון המחקר הבינלאומי למדעי החלל בו נידונו דרכים מחקריות למציאת מקור התופעה.
בפברואר 2007 הייתה פגישה של מדענים העוסקים בנושא בברן.

קישורים חיצוניים
 
 דו"ח ניתוח מידע של 30 שנה על ידי האגודה הפלנטרית, 19 במאי 2008

הערות שוליים

גשושיות אמריקאיות
תורת היחסות הכללית
בעיות פתוחות בפיזיקה
בעיות פתוחות באסטרונומיה

אנומליות מדעיות