Unbekannte Kräfte im Sonnensystem

Das Entstenden von Raumsonden zu anderen Planeten ist ein ausserordentlich erfolgreiches Experiment der bekannten Physik: dass eine Raumsonde von der Erde aus gestartet werden kann und ihr Ziel in vielen Millionen Kilometern exakt zum richtigen Zeitpunkt, am richtigen Ort erreicht, ist nur dank eines tiefen Verständnisses der dahinter stehenden Physik möglich. Die NASA und andere Weltraumorganisationen haben mittlerweile Programme entwickelt, die es ihnen erlauben, die Bahn von Raumsonden unter allen bekannten Kräften, die im Sonnensystem auf die Raumsonde einwirken (Gravitation nach Newton und Einstein, Sonneneinstrahlung, Sonnenwind...), zu berechnen. Weicht einmal eine Raumsonde von ihrem derart umsichtig berechneten Kurs ab, muss dies eine tiefere Ursache haben.

Der abgelenkte Pionier

Zuerst machte vor allem die sogenannte Pioneer-Anomalie von sich reden. Bis heute ist nicht restlos geklärt, ob es sich dabei wirklich um eine Anomalie handelt, die ihren Ursprung in einer unbekannten Physik oder aber in der Konstruktion der Pioneer-Raumsonden hat. Die Raumsonden Pioneer 10 und 11 wurden in den frühen 1970er Jahren gestartet und waren die ersten Raumsonden, die ins äussere Sonnensystem (zu Jupiter und Saturn) vordrangen. Die beiden Sonden waren so einfach wie möglich gehalten und flogen jeweils nur an ihrem Zielplaneten vorbei. Seither entfernen sie sich in die Tiefen des Raums (und sind mittlerweile etwa 90 Astronomische Einheiten (=Abstand Erde-Sonne) von uns entfernt). Beide befinden sich auf einem Fluchtkurs, das heisst, sie werden unser Sonnensystem für immer verlassen und in Millionen von Jahren an einigen benachbarten Sternen vorbei fliegen. Seit je her wird die Bahn der beiden Sonden verfolgt, und irgendwann in den 80er und 90er Jahren fiel den NASA-Technikern auf, dass sich die Sonden dabei nicht an die bekannte Physik zu halten scheinen: beide weichen - gering, aber deutlich messbar - vom Kurs ab, den man für sie berechnet hatte, als ob eine sehr schwache, aber spürbare und konstante Kraft sie zusätzlich in Richtung Sonne ablenken würde (Beschleunigung ca. 0.00000008 cm/s^2). Mittlerweile hat sich dabei eine Kursabweichung von gut 400000 Kilometern aufsummiert (etwa die Entfernung Erde-Mond). DASS diese Abweichung von der geplanten Bahn existiert, ist mittlerweile ziemlich sicher - die Frage ist, woher die Abweichung bzw die schwache ablenkende Kraft kommt.

Die beiden Voyager-Raumsonden, die ebenfalls das Sonnensystem verlassen, können leider nicht zur Lösung des Rätsels beitragen. Beide sind, im Gegensatz zu den Pioneer-Sonden, nicht durch Kreisel stabilisiert, sondern durch Korrekturtriebwerke. Dies ist ein Problem, weil bei der Kreiselstabilisation die Bahn der Raumsonde aus Gründen der Impulserhaltung nicht verändert wird und wir somit die reine, durch physikalische Kräfte bestimmte Bahn beobachten - bei Triebwerksschbüben wie bei den Voyagers hingegen wird jedes Mal die Bahn ein bisschen verändert.

Eine mögliche Erklärung ist, dass die "Kraft" von den Raumsonden selbst stammt: Pioneer 10 und 11 sind baugleich, so dass es nicht verwunderlich wäre, dass beide denselben Ablenkungseffekt zeigen. Tatsächlich zeigte sich, dass die Wärme, die die Radioisotopenbatterien, die einst zur Stromerzeugung eingesetzt wurden, noch immer abstrahlen, unter bestimmten Umständen bis zu einem Drittel der Ablenkung erklären könnte. Auch winzige Gaslecks wurden bereits als mögliche Quelle der Anomalie gehandelt. Doch gleichzeitig mehren sich die Berichte, wonach auch andere Raumsonden von der Anomalie betroffen sind oder waren, wie etwa die Galileo-Sonde, die in den 90er Jahren Jupiter untersuchte, oder Ulysses, eine europäische Raumsonde zur Erforschung der Sonne. Eine eingehende Analyse aller vorhandenen Daten zur Pioneer-Analyse läuft zur Zeit noch - damit will man definitiv ausschliessen, dass es sich um einen Datenerfassungsfehler handelt.

Doch was, wenn sich herausstellt, dass die Anomalie tatsächlich echt ist und nicht mit der Bauweise der Raumsonden allein erklärt werden kann? Dann wäre dies ein starker Hinweis darauf, dass es eine Physik der Gravitation jenseits von Einsteins Relativitätstheorie gibt. Interessanterweise entspricht die schwache ablenkende Kraft gerade etwa dem Produkt von zwei wichtigen kosmologischen Konstanten: der Hubblekonstante und der Lichtgeschwindigkeit. Die Hubblekonstante gibt an, wie schnell sich eine ferne Galaxie aufgrund der Expansion des Universums von uns entfernt, in Abhängigkeit zu ihrer Entfernung, und beträgt heute etwa 72 km/s pro Megaparsec. Das heisst, eine Galaxie, die ein Megaparsec (eine Million Parsec oder 3.26 Millionen Lichtjahre) von uns entfernt ist, hat aufgrund der Expansion des Universums gegenüber der Erde eine scheinbare Fluchtgeschwindigkeit von 72 km/s. Eine Galaxie in doppelter Entfernung hätte dann 144 km/s Fluchtgeschwindigkeit, und so weiter... Natürlich könnte es sich hier auch einfach um einen Zufall handeln, aber ein möglicher Zusammenhang mit der Expansion des Universums wäre schon interessant.

Mittlerweile gibt es viele Versuche, die Pioneer-Anomalie in theoretische Arbeiten zu Erweiterungen der Relativitätstheorie einzubeziehen. Doch so lange die Datenauswertung nicht abgeschlossen ist, sollte man vorsichtig sein und bleiben mit wilden Interpretationen. Schon bald werden wir übrigens über eine weitere Raumsonde verfügen, an der sich die Pioneer-Anomalie zeigen sollte: Die Pluto-Sonde New Horizons ist wie die Pioneer-Sonden Kreiselstabilisiert, hat bereits die Jupiter-Bahn überquert und wird in in wenigen Jahren in der Zone sein, in der die Anomalie zum ersten Mal beobachtet wurde. Zeigt sich die Anomalie nun genauso bei New Horizons, dürfte sie definitiv real sein. Allerdings ist bei New Horizons der Radioisotopenbatterie nahe am Massenzentrum der Sonde angebracht, so dass es schwierig werden dürfte, die Abwärme daraus sauber von der allfälligen Pioneer-Anomalie zu trennen. Zurzeit denkt die europäische Weltraumagentur ESA darüber nach, eine kleine, günstige Raumsonde ausschliesslich zur Erforschung der Anomalie zu bauen.

Eine lange Arbeit, welche die Nachforschungen der letzten Jahre zum Thema zusammenfasst

Beschleunigung im Vorbeiflug

Die zweite interessante Anomalie ist erst seit wenigen Jahren bekannt, doch ist sie mittlerweite einiges besser dokumentiert als die Pioneer-Anomalie. Dies liegt daran, dass sie im Zusammenhang mit Flybys auftritt, einer Technik, die von interplanetaren Raumsonden häufig verwendet wird. Bei einem Flyby wird der nahe Vorbeiflug an einem massiven Objekt (im Inneren Sonnensystem in der Regel Erde, Mars oder Venus) benutzt, um die Geschwindigkeit einer Raumsonde zu verändern oder deren Bahn anzupassen bzw. abzulenken. Auf diese Weise lassen sich grosse Mengen Treibstoff sparen, der damit kostbaren Platz freimacht für weitere Experimente und Messgeräte.

Zum ersten Mal wurde die Flyby-Anomalie bei der Raumsonde Galileo im Jahr 1990 gemessen, als diese nahe an der Erde vorbeiflog, um Schwung zu holen für ihren Weiterflug zum Jupiter. Dies gelang problemlos, doch nach dem Manöver war die Raumsonde rund 4 mm/s schneller als sie nach allen physikalischen Modellen hätte sein dürfen. Dies klingt nach wenig, doch diese Modelle sind mittlerweile so gut, dass selbst ein so kleiner Unterschied auffällt. Später wurde dieselbe Anomalie auch bei anderen Raumsonden beobachtet, wobei es scheint, dass die Anomalie je nach Einflugwinkel relativ zum Äquator anders ausfällt - es scheint also zumindest oberflächlicht betrachtet einen Zusammenhang zur Erdrotation zu geben (Flybys an anderen Planeten können leider nicht so genau verfolgt werden wie wenn eine Raumsonde bei der Erde vorbei fliegt).

Mittlerweile wurde sogar eine empirische Formel entwickelt (von J.D. Anderson, der auch bei der Erforschung der Pioneer-Anomalie eine wichtige Rolle spielt), welche den beobachteten Geschwindigkeitsgewinn in Abhängigkeit von Drehgeschwindigkeit der Erde, Erdradius, sowie Ein- ud Abflugwinkel liefert - doch es ist unklar, welche Physik hinter dieser Formel stecken könnte. Ideen gibt es viele, sie reichen von Dunkler Materie bis zu Veränderungen in der Masseträgheit, doch bisher hat sich noch nichts durchgesetzt. Weiter diskutiert wird auch, ob allenfalls ein Zusammenhang zur Pioneer-Anomalie besteht.

Arbeit, in der die Anderson-Formel zum ersten Mal vorgestellt wird
Arbeit von Anderson und anderen über mögliche Zusammenhänge mit der Pioneer-Anomalie

Die Entdeckung von bisher unbekannten Phänomenen, verbunden mit einer akkribischen Erfassung von Beobachtungen war in der Geschichte oft der Vorläufer zum Durchbruch einer völlig neuen Physik. Die Zukunft der Physik bleibt also spannend.