Когда речь заходит о великих космических загадках, большинство вспоминает тёмную материю или чёрные дыры. Но была в истории науки одна история, которая почти два десятилетия не давала покоя астрофизикам и навигаторам. Речь о двух самых обычных, на первый взгляд, аппаратах — Pioneer 10 и Pioneer 11. Первый из них стартовал 2 марта 1972 года и стал первопроходцем сразу в нескольких смыслах: он первым пересёк пояс астероидов, первым добрался до Юпитера в декабре 1973-го, а затем отправился в бесконечное путешествие к окраинам Солнечной системы. Следом за ним полетел и его близнец. Казалось бы, миссии должны были просто выполнить свою программу и тихо уйти в историю, но вместо этого они преподнесли учёным сюрприз, который заставил пересматривать расчёты, рыться в архивах и даже спасать данные из мусорных контейнеров.
Меня эта история поражает не столько самим физическим эффектом, сколько тем, насколько тонкой может быть граница между настоящим открытием и обычной инженерной погрешностью. Оба «Пионера» вели себя не совсем так, как предписывали законы небесной механики. Отклонение было крошечным, но оно существовало и не исчезало годами. Именно такие мелочи в науке часто становятся либо началом новой эры, либо уроком смирения перед точностью измерений. Здесь получилось второе, но путь к разгадке оказался не менее захватывающим, чем сама аномалия.
Загадка, рождённая доплеровским сдвигом
Всё началось с рутинной, казалось бы, процедуры — измерения скорости аппаратов по доплеровскому сдвигу радиосигналов. Примерно к 1980 году Джон Андерсон из Лаборатории реактивного движения NASA обратил внимание на странность: частота принимаемого сигнала указывала, что «Пионеры» движутся немного медленнее, чем должны были бы согласно расчётам. Словно какая-то невидимая сила постоянно тянула их назад, в сторону Солнца. Величина этого загадочного торможения составляла 8,74 × 10⁻¹⁰ метра в секунду за секунду, с погрешностью около 1,33 × 10⁻¹⁰. Чтобы осознать масштаб, достаточно сравнить эту цифру с ускорением свободного падения на Земле — 9,8 м/с². Разница составляет примерно десять миллиардов раз. Но космос не прощает даже таких мелочей: за годы полёта микроскопическое отклонение накапливалось и превращалось в заметное расхождение между предсказанием и реальностью.
Учёные выдвигали самые разные гипотезы. Одни предполагали, что на больших расстояниях общая теория относительности может работать не совсем так, как мы привыкли. Другие говорили о гравитационном влиянии межзвёздной среды, торможении космической пылью или давлении солнечного излучения. Не исключались и банальные навигационные ошибки. Но была и ещё одна группа версий, связанная с самими аппаратами: неисправный двигатель ориентации, утечка газа, асимметричное тепловое излучение. Именно смелые предположения о «новой физике» сделали аномалию «Пионеров» знаменитой. Если бы подтвердилась хотя бы одна из радикальных версий, это стало бы крупнейшим открытием со времён Эйнштейна.
Спасение данных из забвения
Чтобы отделить одно объяснение от другого, нужны были данные за весь период полёта, а не только за отдельные годы. И вот тут возникла проблема, знакомая многим исследователям, работающим со старыми миссиями. Записи траекторий и телеметрии хранились на бумаге и на устаревших 7- и 9-дорожечных магнитных лентах. Форматы давно вышли из употребления, аппаратуры для их чтения почти не осталось. Часть материалов вообще находили в мусорных контейнерах, буквально по дороге на уничтожение. Я не перестаю удивляться, сколько ценной информации человечество едва не потеряло из-за банальной небрежности в архивах.
Восстановление данных потребовало не только энтузиазма, но и денег. Нужно было найти старую аппаратуру, способную читать магнитные ленты, а затем перевести информацию в современные цифровые форматы. Финансовую поддержку оказали члены Планетарного общества, которые собрали необходимые средства. Физик из JPL Слава Турышев позже признался: «Мы восстановили больше данных, чем смели мечтать». И это был ключевой момент. Удлинённый ряд наблюдений дал важную улику: аномалия не была постоянной. Она медленно ослабевала со временем. Именно так должен вести себя эффект, связанный с бортовым источником тепла, который постепенно теряет мощность.
Плутониевые генераторы и невидимый фотонный двигатель
Каждый «Пионер» нёс на борту четыре радиоизотопных термоэлектрических генератора, или РИТЭГа. Внутри них распадался плутоний-238, выделяя тепло, часть которого преобразовывалась в электричество. Плутоний распадается постепенно, поэтому тепловая мощность генераторов год от года снижалась. Но куда уходило это тепло? В космосе тепло рассеивается излучением, а излучение несёт импульс. Если бы аппарат излучал тепло равномерно во все стороны, толчки взаимно компенсировались бы. Однако конструкция «Пионеров» была далека от идеальной симметрии. Тепло от РИТЭГов отражалось от тыльной стороны большой параболической антенны, а электроника выпускала излишки через специальные жалюзи приборного отсека. В результате больше тепла уходило вперёд, по направлению движения, и аппарат получал слабую отдачу назад, в сторону Солнца. Это напоминает очень слабый фотонный двигатель, только включённый задом наперёд.
Проверить эту идею можно было только одним способом — детальным расчётом. Турышев, Виктор Тот и их коллеги построили подробную конечно-элементную тепловую модель аппарата. Вместо абстрактных предположений они подставили реальные температуры с борта, полученные по телеметрии. В 2012 году результат вышел в журнале Physical Review Letters: расчётное тепловое ускорение совпало с аномалией по величине, по изменению во времени и по направлению. Авторы проверили вывод и с другой стороны: оценили параметры тепловой модели напрямую по навигационным данным и не нашли статистически значимой разницы. Вывод статьи звучал однозначно: если учесть тепловую отдачу, никакого аномального ускорения не остаётся.
Независимо к похожему заключению пришли и европейские исследователи. Бенни Риверс и Клаус Леммерцаль из центра ZARM Бременского университета ещё в 2011 году опубликовали в журнале Annalen der Physik работу, в которой указали, что тепловая отдача, вероятно, полностью объясняет аномалию Pioneer 10. Две независимые группы пришли к одному и тому же выводу — это всегда хороший знак для науки.
Урок точности и судьба зонда
Ещё до финальной публикации, в 2011 году, Планетарное общество формулировало позицию осторожно: наиболее вероятная причина аномалии — тепло, выделяемое системами самого аппарата. Билл Най, известный популяризатор науки, подвёл итог так: «Пока это не новая физика, а удивительно тонкий толчок фотонов». Для тех, кто надеялся на переворот в фундаментальной науке, такая развязка могла показаться разочаровывающей. Однако практическая польза от неё неоспорима. Теперь навигаторы знают, как собственное тепло аппарата может сдвигать его траекторию, и учитывают этот эффект при планировании будущих миссий. Точность навигации выросла, а значит, и будущие полёты станут надёжнее.
Сам Pioneer 10 этого триумфа уже не застал. Его научная программа завершилась 31 марта 1997 года, а последний очень слабый сигнал был принят 23 января 2003 года. К тому моменту радиоизотопный источник ослабел настолько, что передатчик больше не мог дотянуться до Земли. Тот самый плутоний, который столько лет путал физиков, в конце концов просто исчерпал свою энергию. Зонд продолжает лететь в сторону звезды Альдебаран, унося с собой одну из самых элегантных разгадок в истории космической навигации. И хотя «новая физика» не появилась, эта история напоминает: иногда самые тонкие аномалии скрывают не сенсацию, а всего лишь точность, доведённую до предела.