パイオニア・アノマリー
両探査機は太陽系からほとんど逆の方向へ向けて遠ざかっており、当初期待されたような未知の天体による重力とは考えにくかった。 この食い違いの原因を解明するために、銀河からの重力、探査機の姿勢制御によるガス噴射や予定外の「ガス漏れ」による推力、惑星の天体暦や地球の向き・歳差・章動の暦の値の誤り、搭載されていた原子力電池による偏った熱放射、通信による放射圧、さらに軌道分析プログラムの誤りまで、考えうるあらゆる可能性が検討されたが、原因は不明のままであった。
こうした加速度が他の探査機でも見られるかを調べるために、木星探査機ガリレオや、太陽系の極軌道にあるユリシーズ探査機のデータの検討もなされた。 結果、太陽との距離が近く放射圧が大きいことなどから十分明確ではなかったものの、同様の食い違いの証拠が認められた。 この現象は簡単には解決できないものである可能性が高まったため、1995年から正式な調査が始まり、1998年にアンダーソンらによる論文が提出された。 以降、この不可解な現象は「パイオニア・アノマリー」として知られることとなった。
パイオニア・アノマリーの原因は、原子力電池 (RTG) や探査機の機器などから生ずる熱放射による推進力であった。
太陽から遠く離れた外惑星の探査を行うパイオニア10・11号は太陽電池が利用できないため、プルトニウム238の崩壊熱を利用した原子力電池によって電力を供給していた。 各探査機に搭載された原子力電池は打ち上げ前のテストの段階でそれぞれ合計 2500 W 以上の熱を発生していた。 こうして発生する熱のほとんどは RTG の放熱板から前後にほぼ等方的に放射され、電力に変換された一部は中心部の機器で熱に代わる。 もし熱の不均一な伝達や、メインアンテナの背部での反射なども含め不均等な熱放射が大きければ、予期しない推進力を生じさせる原因となると考えられる。 当初、熱の放出は十分に等方的だと推定されていたものの、観測されているアノマリーを説明するには最小で 65 W の指向的な放射が生じればよいとされ、わずかな非等方性も無視できないため、熱放射の詳細な検討が望まれていた。
2008年には探査機の姿勢と熱の流れを詳細にモデル化することによって、探査機の実際の温度データをほぼ再現するシミュレーションが可能となった。 予備的な結果では、従来見積もられていた値よりもその効果は大きく、熱が特定の方向に偏って放射されることによって、観測されているアノマリーの大きさのおよそ 30 % までが説明できるとされた。そして2012年に最終的に熱放射がパイオニア・アノマリーの原因であることが確定した。