Спутники завернули к новой физике

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.Ru» 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.

При выведении космических аппаратов на траектории полёта к различным телам Солнечной системы учёные широко используют так называемый гравитационный манёвр, который позволяет изменить скорость космического аппарата без интенсивного использования двигателей: в качестве «двигателя» может выступать любое массивное тело. Такие манёвры напоминают одновременно столкновение массивного и лёгкого бильярдных шаров, при котором лёгкий шар может прибавить к своей скорости удвоенную скорость тяжёлого, и стремление схватиться за перила при переходе от одного пролёта лестницы к другой, что позволяет перенести необходимую для поворота силу с подошв обуви на руки.

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.

Коэффициент пропорциональности в найденной учёными эмпирической формуле оказался очень близок к удвоенному отношению экваториальной скорости вращения Земли к скорости света, что может указывать на релятивистскую природу эффекта и его связь с вращением нашей планеты. Тем не менее, в формулах для расчёта траектории полёта аппаратов всегда учитываются эффекты теории относительности – как специальной, так и общей, да и величина эффекта Лензе-Тирринга и прочих гравимагнитных эффектов, определяющих особенности гравитационного поля вращающегося тела, существенно меньше наблюдаемых аномалий.

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.

Учёные заключают, что наблюдаемый ими эффект реален, и объяснить его пока не удаётся. Они сравнивают его со знаменитым «эффектом Пионеров» – необъяснимым ускорением космических аппаратов, находящихся у границ Солнечной системы, о котором на страницах «Газеты.Ru» недавно рассказал астрофизик Максим Пширков из Пущинской радиоастрономической обсерватории Физического института имени Лебедева РАН. Обнаружила этот эффект, в реальности которого сейчас уже никто не сомневается, та же команда под руководством Джона Андерсона.

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…»