Von Eugen Reichl
Zunächst nahm man sich die Störfaktoren vor, die von den Sonden selbst stammen könnten: Ausgasungseffekte der Steuertriebwerke beispielsweise oder Schubanomalien. Die bei den drallstabilisierten Sonden relativ seltenen Triebwerksimpulse konnten leicht aus dem Gesamtwert herausgerechnet werden.
Ein Hauptverdächtiger für den Effekt war die Zerfallswärme der mit Plutonium betriebenen Radioisotopen-Generatoren. Doch diesen Punkt konnte man ebenfalls bald ausschließen, denn zum einen wird die Zerfallswärme nicht gerichtet abgestrahlt, sondern in alle Richtungen gleichmäßig, und zum anderen nimmt sie mit der Halbwertszeit von Plutonium 238 ab. Die beträgt knapp 88 Jahre, die Abstrahlungsleistung müsste demzufolge schon auf unter 75 Prozent abgesunken sein. Die Anomalie aber zeigte sich unbeeindruckt und blieb weiterhin gleich stark.
Auch die Kernumwandlung von Plutonium selbst wurde untersucht. Bei diesem Prozess wird pro Jahr ein knappes Gramm Helium erzeugt, das mit einer Geschwindigkeit von 1,22 Kilometer pro Sekunde abgestrahlt wird. Doch auch hier konnte man ermitteln, dass dieser Effekt höchstens 1,5 Prozent zum Phänomen beiträgt.
Dann untersuchten die Ingenieure den Strahlungsdruck, der von den Sendern der Raumfahrzeuge ausging, fanden ihn aber viel zu gering, um das Phänomen zu erklären. Der Effekt blieb stets gleichmäßig, egal ob die "Pioneers" nun sendeten oder nicht.
Die Nasa ging die möglichen astronomischen Ursachen durch: Gab es gravitative Einflüsse unentdeckter Objekte im Kuiper-Gürtel? Wie wäre es mit der Wirkung von interplanetarem Staub und Plasma? Veränderte sich vielleicht der Strahlungsdruck der Sonne im Lauf der Zeit? Gab es etwa wandernde Magnetfelder? Derlei Einflüsse konnte man bald ausschließen, weil die unerklärliche Kraft auf beide Sonden gleichmäßig einwirkte.
Mit der Sherlock-Holmes-Methode
So ging man Ursache für Ursache durch. Alle möglichen Berechnungs- und Navigationsfehler wurden untersucht: die Erdbewegung im Bezug zur Raumsonde, die Berechnung der Zeitdaten, die Antennenanlage des Deep Space Network der Nasa, relativistische Effekte und noch vieles mehr. Irgendwann mussten die Experten schließlich zugeben, dass sie es mit einem unbekannten Phänomen zu tun hatten.
Aber war es ein generelles Phänomen, oder betraf es nur die beiden "Pioneers"? Vielleicht gab es Vergleichsdaten anderer Raumfahrzeuge? Ideale Kandidaten wären die beiden "Voyager"-Sonden, die 1977 in das äußere Sonnensystem geschickt wurden und inzwischen ebenfalls die Bahn des Planeten Pluto weit hinter sich gelassen haben oder auch Raumsonden wie "Cassini" und "Ulysses". Da gibt es nur ein Problem: All die neuen Sonden sind viel aktiver, beweglicher, fortschrittlicher und über alle Achsen permanent lagegeregelt. Sie halten nicht still. Ständig drehen sie sich irgendwohin, messen, bremsen oder beschleunigen. Um es salopp auszudrücken: Sie übertönen den Effekt durch ihr Gezappel.
Bleiben also nur die "Pioneer"-Daten. Kein Problem, möchte man meinen. Man holt einfach die gespeicherten Telemetriedaten hervor und nimmt sie genau unter die Lupe. Doch so einfach ist das nicht, denn alle, die vor dem Jahr 1987 gesammelt wurden, liegen nicht in digitaler Form vor, sind weder geordnet noch bewertet. Sie sind auf alten Magnetbändern mit sieben respektive neun Datenspuren gespeichert, die in den Kellerräumen des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, liegen. Diese Daten müssen erst umgeschrieben und in brauchbare Form gebracht werden. Doch dafür hatte die Nasa kein Budget.
In diesem Dilemma kam ihr die Planetary Society zu Hilfe, die mit 100.000 Mitgliedern weltweit die größte Pro-Space-Vereinigung. Vor ihrem Hilfsangebot hatten die Nasa-Experten lediglich die Daten nach dem Jahr 1987 untersucht, die bereits digitalisiert vorlagen. Jetzt aber können auch alle anderen Telemetrie-Informationen im Detail analysiert werden, wie zum Beispiel die Temperaturund Triebwerksdaten, die der Transmitter und der Isotopenbatterien. Sie werden in ein mit heutigen Mitteln auswertbares Format gebracht und allen Wissenschaftlern, die sich für die Pioneer-Anomalie interessieren, zugänglich gemacht.
Was ist die Pioneer-Anomalie?
So wird man vielleicht doch eines Tages die Erklärung für den seltsamen Effekt finden. Noch bleibt die – allerdings extrem geringe – Möglichkeit, dass die Anomalie tatsächlich irgendeinen trivialen Grund hat. Beispielsweise eine Wärmequelle, die rein zufällig in beiden Raumsonden eine genau gleich gerichtete Abstrahlung verursacht. Wie gesagt, die Möglichkeit ist äußerst gering, aber völlig sicher kann man sich erst dann sein, wenn die gesamten Telemetriedaten aus der Zeit vor 1987 akkurat durchgearbeitet und ausgewertet sind.
Bleibt die Anomalie auch dann bestehen, wird es wirklich spannend. Die Wissenschaftler suchen schon Erklärungen. Jede einzelne dieser Hypothesen verursacht eine Gänsehaut, denn sie laufen alle darauf hinaus, dass womöglich irgendetwas falsch ist an unserem bisherigen Verständnis der Naturgesetze.
Ist der Effekt ein erster unfreiwilliger experimenteller Nachweis heute noch spekulativer und hypothetischer Elemente einer neuen Physik? Ist die Pioneer-Anomalie vielleicht das Resultat von Kräften wie der mysteriösen Dunklen Materie und der Dunklen Energie? Müssen wir in die Konstanten von Masse und Gravitation in unserem Sonnensystem eine weitere Größe einfügen?
Wissenschaftler von der Universität von Portsmouth in England vermuten, dass das Pioneer-Rätsel etwas mit der Feinstrukturkonstante des Weltalls, kurz Alpha, zu tun haben könnte. Von nur wenigen Zahlen hängt das Schicksal des gesamten Universums stärker ab als von dieser. Wäre ihr Wert nur ein wenig anders, dann gäbe es keine Atome und somit kein Leben im Universum.
Interessant ist, dass der Wert der Anomalie in etwa dem Produkt aus der Hubble-Konstanten und der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Damit stellt sich die Frage, ob sie in irgendeiner Weise mit der kosmischen Expansion zusammenhängt.
Oder kann man sie in Verbindung mit den Überlegungen der letzten Jahre bringen, die eine Ergänzung des Newtonschen Gravitationspotenzials durch einen weiteren Anteil vorschlagen? In der Teilchenphysik gibt es so etwas in Form des Yukawa-Potenzials, das die Abschirmung des elektrischen Felds eines geladenen Teilchens beschreibt. Womöglich könnte die Pioneer-Anomalie dadurch korrekt beschrieben werden.
Feintuning der Schwerkraft
Auch die Anpassung des Newtonschen Gravitationsgesetzes an die Beobachtungsdaten in einer Weise, dass bei Beschleunigungen unterhalb eines bestimmten Werts eine veränderte Formel gilt, könnte hier passen. Ein solcher Ansatz wurde ursprünglich vorgeschlagen, um die rätselhaften Rotationskurven der Galaxien zu erklären. Diese weichen durch das Vorhanden sein Dunkler Materie von dem ab, was nur durch die Schwerkraft der Sterne zu erwarten wäre. Setzt man den zusätzlichen Parameter so an, dass die Zentrifugalbeschleunigung in den äußeren Galaxienbereichen konstant wird, so kommt man auf einen Wert, der sehr gut zu dem passt, was die Forscher bei den "Pioneer"-Sonden gemessenen haben.
Noch gibt es viele Hypothesen, von denen bisher keine beweisbar ist. Es gilt also weiterhin, mehr Daten zu sammeln. Der wahren Ursache des Phänomens könnte man auch mit einer neuen Mission, die diesen mysteriösen Gravitationseffekt genau nachvollziehen soll, auf den Grund gehen. Die Kosten für eine spezielle Pioneer Anomaly Mission veranschlagen US-Wissenschaftler auf etwa 300 bis 500 Millionen Dollar. Ein solches Raumfahrzeug könnte huckepack, also als zweites kleineres Raumfahrzeug, bei einer der nächsten Deep-Space-Flüge im Rahmen des amerikanischen New-Frontiers-Programms ins äußere Sonnensystem auf die Reise geschickt werden. Etwa bei der in Planung befindlichen Neptun-Orbiter-Mission, die im Jahr 2016 zum äußersten Großplaneten unseres Sonnensystems gestartet werden soll.
Auch die europäischen Astronomen wünschen sich solch eine Mission. Die Planungen für die Deep Space Gravity Probe laufen bereits. Sie soll die anomale Beschleunigung überprüfen und präzisere Messdaten liefern, mit deren Hilfe man ihre genaue Richtung bestimmen kann. Das Problem für die Realisierung ist hier weniger das Budget als vielmehr der Umstand, dass dieses Raumfahrzeug für seine Stromversorgung eine nukleare Energiequelle benötigt, genauso wie die beiden "Pioneers" vor dreieinhalb Jahrzehnten. Und gegen die gibt es in Europa nach wie vor erhebliche Widerstände.
Immerhin – eine der beiden Raumsonden könnte innerhalb des nächsten Jahrzehnts auf die Reise gehen. Vielleicht liegen dann zum fünfzigsten Jahrestag des Starts von Pioneer 10 die ersten Erkenntnisse vor.
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