Группа американских учёных заметила новые аномалии в движении межпланетных космических аппаратов, которые могут быть связаны со знаменитой «аномалией Пионеров» и указывать на недостатки в нашем понимании гравитации. Анализ движения пяти космических аппаратов при гравитационном манёвре в поле тяготения Земли выявил необъяснимое современными моделями ускорение.
Собственно, сами аномалии были замечены ещё довольно давно — «Газета» писала о них ещё полтора года назад. Теперь же учёным удалось найти единое эмпирическое выражение, указывающее на возможную причину такого необычного поведения космических аппаратов.
Возможно, речь идёт о каком-то эффекте новой, неизвестной пока физики, связанным с вращением Земли.
использование тяготения массивных космических тел для изменения скорости космических аппаратов без интенсивного использования двигателя. Гравитационные маневр космического зонда в поле тяготения планеты или звезды в механическом смысле похож на соударение двух шаров разной массы: если легкий шар катится навстречу тяжелому, то он отскакивает после соударения с возросшей скоростью, причём прибавка может достигать удвоенной скорости тяжёлого шара.
Гравитационные манёвры широко используются при посылке космических аппаратов к различным телам Солнечной системы, что позволяет экономить топливо, хотя зачастую удлинняет время полёта, поскольку приходится подбирать такую его траекторию, которая приведёт к сближениям с движущимися по своим орбитам планетам в нужной конфигурации.
Учёные под руководством Джона Андерсона из Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института (Калтеха) в Пасадене изучили гравитационные манёвры пяти космических аппаратов — Galileo, Cassini, Rosetta, MESSENGER и NEAR — вблизи Земли. Их траектории рассчитываются заранее с огромной точностью, а контроль осуществляется по данным радиолокационного измерения положения и скорости.
При обработке данных выявились значительные — до нескольких миллиметров в секунду — отклонения скорости космических аппаратов при пролёте вблизи Земли от расчётов.
Несколько миллиметров в секунду кажутся небольшой величиной по сравнению с полной скоростью аппарата в десятки километров в секунду, однако точность измерений составляет около 0,1 мм/с, и на протяжении большей части полёта расчётная траектория совпадает с наблюдаемой примерно с такой точностью. При пролёте вблизи Земли аномалии доходили 13,5 мм/c в пересчёте на асимптотическую скорость космического аппарата. Работа американцев опубликована в последнем номере престижного журнала Physical Review Letters.
Учёные не предлагают объяснения обнаруженному эффекту, однако вывели эмпирическую формулу, которой подчиняется аномалия.
Относительные изменения асимптотической скорости (и энергии) аппарата оказались пропорциональны изменению косинуса угла между экватором планеты и вектором скорости аппарата, то есть широт точек, на которые проецируются его приближающаяся к Земле и удаляющаяся от неё траектория. Самой большой (13,5 мм/c) аномалия оказалась у космического аппарата NEAR, который при околоземном гравитационном манёвре отклонился в «вертикальном» направлении более чем на 45 градусов, в экваториальной приблизившись к Земле под углом около 30 градусов с севера и отправившись дальше практически строго на юг.
Гравитомагнетизм, гравимагнетизм – общее название нескольких эффектов, вызываемых вращением гравитирующего тела. Иногда их объединяют под общим названием «эффект Лензе-Тирринга», что не вполне правильно.
В отличие от ньютоновской механики, в общей теории относительности движение пробной частицы (и ход часов) в гравитационном поле зависит от того, вращается или нет тело – источник поля. Влияние вращения сказывается даже в том случае, когда распределение масс в источнике не меняется со временем (существует цилиндрическая симметрия относительно оси вращения). Гравимагнитные эффекты в слабых полях чрезвычайно малы. В слабом гравитационном поле и при малых скоростях движения частиц можно отдельно рассматривать гравитационную («гравиэлектрическую») и гравимагнитную силы, действующие на пробное тело, причём напряжённость гравимагнитного поля и гравимагнитная сила описываются уравнениями, близкими к соответствующим уравнениям электромагнетизма.
В качестве отдельных гравимагнитных эффектов можно выделить несколько.
Эффект Лензе-Тирринга. Это прецессия спинового и орбитального моментов пробной частицы вблизи вращающегося тела. Мгновенная угловая скорость прецессии момента Ω = −H/2c.
Орбитальный эффект Лензе-Тирринга приводит к повороту эллиптической орбиты частицы в гравитационном поле вращающегося тела. Например, для низкоорбитального искусственного спутника Земли на почти круговой орбите угловая скорость поворота перигея составит 0,26 угловой секунды в год; для орбиты Меркурия эффект равен −0,0128″ в столетие. Следует отметить, что данный эффект прибавляется к стандартной общерелятивистской прецессии перицентра (43″ в столетие для Меркурия), которая не зависит от вращения центрального тела. Орбитальная прецессия Лензе-Тирринга была впервые измерена для спутников LAGEOS и LAGEOS II.
Спиновый эффект Лензе-Тирринга (иногда его называют эффектом Шиффа) выражается в прецессии гироскопа, находящегося вблизи вращающегося тела. Этот эффект недавно был проверен с помощью гироскопов на спутнике Gravity Probe B; первые результаты обнародованы в апреле 2007, но в связи с недоучётом влияния электрических зарядов на гироскопы точность обработки данных пока недостаточна, чтобы выделить эффект (поворот оси на 0,039 угловой секунды в год в плоскости земного экватора). Учёт мешающих эффектов позволит выделить ожидаемый сигнал, окончательные результаты ожидаются в декабре 2007.
Геодезическая прецессия (эффект де Ситтера) возникает при параллельном переносе вектора момента импульса в искривленном пространстве-времени. Для системы Земля-Луна, движущейся в поле Солнца, скорость геодезической прецессии равна 1,9″ в столетие; точные астрометрические измерения выявили этот эффект, который совпал с предсказанным в пределах ошибки ~1 %. Геодезическая прецессия гироскопов на спутнике Gravity Probe B совпала с предсказанным значением (поворот оси на 6,606 угловой секунды в год в плоскости орбиты спутника) с точностью лучше 1 %.
Гравимагнитный сдвиг времени.
В слабых полях (например, вблизи Земли) этот эффект маскируется стандартными спец- и общерелятивистским эффектами ухода часов и находится далеко за пределами современной точности эксперимента. Поправка к ходу часов на спутнике, движущемся с угловой скоростью ω по орбите радиусом R в экваториальной плоскости вращающегося массивного шара, равна 1 ± 3GLω/Rc4 (по отношению к часам удалённого наблюдателя; знак + для сонаправленного вращения).
Анализ целого ряда возможных причин аномалий, который провели германские учёные под руководством Клауса Ляммерцаля из Бременского университета, не смог выявить достойного объяснения. К его объяснению они пытались привлечь и влияние земной атмосферы, и приливы — как в океанах, так и в твёрдом теле Земли, и солнечный ветер, и взаимодействие индуцированного на поверхности космического аппарата заряда с магнитным полем нашей планеты.
Ни одно из этих объяснений не выдержало сравнения с данными.
Учёные даже поставили под сомнение данные радиорадаров, точностью которых так гордятся, однако учёт сложных эффектов распространения радиоволн в магнитном и гравитационном поле Земли также не дал никаких результатов.
«эффект Пионеров», «ускорение Пионеров» - необъяснимое ускорение (точнее, замедление) космических аппаратов Pioneer 10 и Pioneer 11, движущихся к границам Солнечной системы. Измерение скорости космических аппаратов даёт необъяснимую добавку в дрейфе частоты излучения от них, соответствующую крохотному, но чётко фиксируемому ускорению примерно в 10-7 см/с2. Причина эффекта до сих пор не ясна. Подробное описание эффекта содержится в лекции «Пионеры новой физики».
Инженер Европейского космического агентства (ESA) Тревор Морли, к которому британский журнал Nature обратился за комментарием по поводу последней работы, заметил, что для расчёта траекторий космических аппаратов приходится учитывать огромное число различных эффектов — от притяжения Солнца, Земли, Луны и многих других тел Солнечной системы до давления солнечного ветра. По его мнению, не исключено, что что-то могло быть пропущено, так что замеченные аномалии проистекают из каких-то неправильно учтённых эффектов. Впрочем, это не объясняет, почему модели так хорошо работают вдали от Земли.
По его словам, сотрудники ESA также заметили аномалию в движении аппарата миссии Rosetta, которым занималось агентство, однако не придали большого значения. «Мы долго чесали головы», но в конечном итоге решили не обращать на него особого внимания: на выведение космического аппарата к его цели — комете Чурюмова-Герасименко — к 2014 году столь небольшие добавки не влияют. К тому же все такие аномалии учитываются в ходе необходимых коррекций курса перед запланированными (а иногда даже незапланированными) гравитационными манёврами.
Морли также заметил, что многие учёные заинтересованы в лучшем понимании пока не объяснённого феномена: «Шансы на то, что здесь появится новая физика, невелики, — говорит он. — Но кто его знает…»
