Pioneer-Anomalie: Der letzte Nagel im Sarg

Vor mehr als einem Jahr zeigte eine Gruppe portugiesischer Ingenieure in dieser Veröffentlichung, die bei den Physics Letters B eingereicht wurde, dass das vermeintliche Geheimnis der Pioneer-Anomalie wahrscheinlich nichts weiter war als eine kleine Ungenauigkeit bei der Modellierung der Wärmeabstrahlung.

Ungefähr zeitgleich wurde dieses Paper zweier Wissenschaftler aus Bremen publik, die zum selben Schluss gekommen waren. Dies war in der Fachkreisen schon lange vermutet worden. Nun aber war der Verdacht durch konkrete Berechnungen erhärtet. Ins gleiche Horn stieß auch ein Paper zweier italienischer Wissenschaftler zu diesem Thema, das im Sommer 2011 präsentiert wurde.

Auch die Autoren des aktuellen amerikanischen Papers hatten sich bereits zuvor zu Wort gemeldet, zuletzt im Jahre 2011. Sie äußerten darin wieder ihre bereits in den Jahren zuvor gebrachte These, dass es sich um einen unzureichend modellierten thermischen Effekt handelte. Es fehlten ihnen damals aber offensichtlich noch die Ergebnisse der abschließenden Berechnungen.

Fazit: Die Pioneer-Anomalie ist nur ein Modellierungsfehler. Damit sind auch die Theorien hinfällig, nach denen diese Anomalie auf phsyikalische Phänomene hinweisen sollte, die mit den heute bekannten und akzeptierten physikalischen Modellen und Gesetzen nicht zu erklären sind.

Ein im April 2012 herausgekommenes Paper einer Gruppe von US-Wissenschaftlern mit dem Titel „Support for the Thermal Origin of the Pioneer Anomaly“  ist nicht nur ein weiterer Nagel im Sarg der Theorie, dass die beobachtete sehr kleine Abbremsung der Pioneer-Sonden eine physikalische Anomalie darstellt. Man kann sogar sagen, dass dieses Paper den Sargdeckel endgültig fest schraubt. Drei der Autoren sind beim Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA ansässig sind. Sie dürften unbegrenzten Zugang zu technischen Daten und Computermodellen haben, die Außenstehenden nicht vollständig zugänglich sind.

Wie die Autoren schreiben, existiert kein CAD-Rechnermodell der vor 40 Jahren entwickelten Pioneer-Sonden. Daher erstellten sie anhand der Blaupausen und weiteren Dokumentation ein möglichst exaktes Datenmodell für thermische Finite-Elemente-Berechnungen. Solche Berechnungen werden heute für jede neu entwickelte Raumsonde durchgeführt, das ist mittlerweile Stand der Technik. FE-Berechnungen können beliebig komplex, aber auch extrem exakt sein, denn sie erlauben nicht nur die Simulation der genauen Reflexions- und Abstrahleigenschaften jedes Elements der Oberfläche, sondern auch die Einbeziehung solcher Effekte wie den radiativen Wärmeaustausch zwischen einzelnen Komponenten.

Die Modellierung ist im Paper ausführlich beschrieben. Ich denke, man kann davon ausgehen, dass das nun wirklich genau genug ist. Eine Restunsicherheit verbleibt bezüglich der Abstrahleigenschaften der Radiatorflächen des Radionuklidgenerators (Radioisotope Thermoelectric Generator: RTG) und des Wirkungsgrads der thermoelektrischen Elemente. Diese Parameter wurden innerhalb plausibler Grenzen variiert. 

Das Ergebnis ist eine simulierte Restbeschleunigung, die genau im Rahmen der Fehlerbandbreite der scheinbaren Anomalie, also der Diskrepanz zwischen der sich aus der Bahnbestimmung ergebenden Beschleunigung und den sich aus der bisherigen Modellierung ergebenden Werten.

Case closed, finde ich.

Mich wundert allerdings eins und das kommt mir vor wie reichlich schlechter Stil. In dem Paper der Amerikaner werden die vorangegangenen Veröffentlichungen der Europäer mit keiner Silbe erwähnt. Dabei lagen die drei europäischen Papers ja richtig. Die Amerikaner haben nun dank ihrer besseren Daten den Vogel abgeschossen, keine Frage. Das war den Europäern so nicht möglich. Dennoch zeigen die Papers aus dem Jahr 2011 wie auch das aktuelle in exakt dieselbe Richtung.

Nun so zu tun, als hätte man selbst alles ganz allein und als Allereerste herausgefunden, das finde ich eher peinlich. Aber das mag jeder sehen, wie er will.

Weitere Information

S.Turyshev, V.Toth, V.Ellis, C.Markwardt: Support for temporally varying behavior of the Pioneer anomaly from the extended Pioneer 10 and 11 Doppler data sets, arXiv:1107.2886v1, Juli 2011

F.Francsco, O.Bertolami, P.Gil, J.Paramos: Modelling the Reflective Thermal Contribution to the Acceleration of the Pioneer Spacecraft, arXiv: 1003:5222, März 2011 (v1), April 2012 (v2). Dort wurde sehr wohl auf zahlreiche Veröffentlichungen von Turyshev und anderer US-Quellen Bezug genommen.

 S.Turyshev, V.Toth, G.Kinsella, S.Lee, S.Lok, J.Ellis: Support for the thermal origin of the Pioneer anomaly, arXiv:1204.2507v1, April 2012

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

8 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Anomalien als Herausforderung

    Im deutschsprachigen Wikipedia-Artikel Pioneer-Anomalie wird über alle europäischen und auch der US-Finite-Elemente-Untersuchung von April 2011 berichtet und als letzter Weblink ist Michael Khan: Pioneer-Anomalie endgültig beerdigt, in Go for Launch auf Kosmologs eingetragen.

    Mich fasziniert die Tatsache, was einfache, aber exakte Messungen bereits wertvolle Hinweise oder eben auch Knacknüsse liefern können.

    Eine andere faszinierende Anomalie, die Fly-By-Anomalie wird sogar von einer Forschungsgruppe, der International FlyBy Collaboration untersucht. Es scheint sich aber bereits zu verdichten, dass es sich entweder um die fehlende Berücksichtigung der speziellen Relativitätstheorie oder/und um fehlerhafte Algorithmen für die Flyby-Berechnung handelt.

    [Antwort: Dass im Wikipedia-Artikel mein Blog-Artikel verlinkt ist, hatte ich gar nicht gesehen. Das wundert mich auch etwas. Ein Blog-Artikel hat doch nicht den Anspruch, eine Recherchetiefe zu beinhalten, die zum Zitiert-Werden in einer Enzyklopädie ausreicht. Akzeptabel fände ich das höchstens, wenn man meinen Artikel als Sammlung weiterführender Links betrachtet.

    Die Annahme, dass es sich bei der als Flyby-Anomalie bezeichneten Diskrepanz zwischen Modellierung und Messung um eine fehlerhafte Berücksichtigung der speziellen Relativitätstheorie handelt, wurde vom im Wikipedia-Artikel erwähnten Jean-Paul Mbelek getroffen. Wie ich aber bereits in der Diskussion zu meinem Artikel vom April 2011 feststellte, basierte Mbeleks Annahme allein auf der Betrachtung der Näherungsformel von Anderson et al.. Die Vorhersage dieser Näherungsformel stimmte aber bereits bei mindestens einem darauf folgenden Vorbeiflug nicht mit der Beobachtung überein. MK]

  2. Der *eigentliche* Aufklärer wird erwähnt

    In den Danksagungen und als Referenz Nr. 5 kommt immerhin Lou Scheffer vor – der bereits vor 11 Jahren die richtige Lösung fand und pausibel machte. Wie ich vor 10 Jahren schon berichtete. Tja …

    [Antwort: Fairerweise sollte man unterstreichen, dass die portugiesische Gruppe auch Louis K. Scheffers Paper aus dem Jahr 2001 explizit in der Literaturliste erwähnt, ebenso wie die Arbeiten der anderen amerikanischen Wissenschaftler. Die Portugiesen haben das gemacht, was Scheffer explizit vorschlägt: „More detailed modeling, using the Pioneer materials, construction details, and history, could provide a much better estimate of the magnitude of this effect.“ Die Amerikaner haben das jetzt auch gemacht, und zwar exakter und umfassender. Die Portugiesen haben halt das getan, was ihnen im Rahmen der ihnen zur Verfügung stehenden Daten möglich war, und sie waren schneller als die Amerikaner. Die portugiesischen Ergebnisse sind keineswegs falsch; sie bieten schon einmal einen ziemlich soliden Hinweis darauf, dass die vermeintliche Anomalie einen trivialen Grund hat. Die Amerikaner haben jetzt das Tüpfelchen aufs i gesetzt und praktisch jedem vernünftigen Zweifel die Grundlage entzogen. Das entwertet aber nicht die Arbeit der Portugiesen, deswegen wäre den Amerikanern jetzt kein Zacken aus der Krone gefallen, wenn sie nicht so getan hätten, als gäbe es das portugiesische Paper gar nicht. MK]

  3. Pioneer, die NASA und der SPON

    Jetzt durfte auch noch ein SPON-Autor seine ganze Formulierungs- und Aufpolierungs-kunst einsetzen um die Pioneer-Anomalie als Nasa enträtselt mysteriösen „Pioneer“-Effekt zu verkaufen. Der Einsteig beginnt mit Newton&Co, streift dann dunkle Materie und dunkle Energie und kommt dann auf die aktuellen Ergebnisse der US-Forscher so zu sprechen zu kommen, als gäbe es noch keine Vorgängerarbeiten.

    Ein typischer Spiegel-Aufguss halt wie von der Methode her schon (mindestens) seit den späten 1950er Jahren bekannt.

  4. sargnagel

    M. E. erklärt die Arbeit im arXiv die Anomalie nicht, da die Rechnung nicht nachvollzogen werden kann und die (einfache)Ausgangsformel zu unbestimmt ist. Die Autoren schreiben selbst von zusätzlichen Annahmen und führen zusätzliche Parameter ein, um auf den Wert der sonnenwärts gerichteten Beschleunigung zu kommen. Im Übrigen haben Anderson et al. wiederholt im arXiv eine gerichtete Wärmestrahlung als Ursache mit Bestimmtheit ausgeschlossen und auch für die Sonden Galilei und Ulysses ähnliche Anomalien beobachtet.

    [Antwort: Die „Formel“ ist ohne Belang. Der Artikel der Autoren erklärt das eingesetzte Berechnungsverfahren auf nachvollziehbare Weise. So hätte ich es an deren Stelle auch gemacht. Jeder, der schon einmal mit einem FE-Programm zur thermischen Berechnung zu tun hatte, wird die gegebene Beschreibung nachvollziehen können.

    Die Autoren führen in der Tat zwei Parameter ein, die für die thermische Berechnung von Bedeutung sind, aber nicht genau bekannt sein können – allenfalls kann ein plausibler Bereich angegeben werden, in dem diese Parameter sich aufhalten. Der eine ist der Abstrahlkoeffizient der Radiatoren des RTG, der andere der Wirkungsgrad der Thermoelemente, mit denen Wärme in elektrischen Strom umgewandelt wird.

    Da das Oberflächenmaterial der Radiatoren unter Einwirkung von Hitze und UV-Strahlung altert, werden seine physikalischen Parameter sich über die Jahrzehnte innerhalb eines gewissen Rahmens verändern. Gleiches gilt für die Thermoelemente, die Alterungseffekten unterliegen.

    Was die Autoren nun gemacht haben, ist, bei der FE-Berechnung diese beiden nicht genau bekannten Parameter innerhalb plausibler Bandbreiten variieren zu lassen. Dabei stellte sich heraus, dass die durch thermische Abstrahlung bewirkte Störbeschleunigung durchaus einen Wert und eine Richtung annehmen kann, die die gemessene scheinbare Anomalie zufriedenstellend erklärt.

    Natürlich ist das kein Beweis. Das behaupten die Autoren auch gar nicht. Es ist allenfalls die plausible und nachvollziehbare Darlegung, dass die berechenbare Störbeschleunigung durch thermische Abstrahlung gut die gemessene vermeintliche Anomalie in der Bahnbestimmung erklärt. Es gibt also eine triviale, nachvollziehbare Erklärung weit innerhalb der Grenzen der bekannten Physik. Damit bedarf es keiner exotischen physikalischen Theorien, um die Ergebnisse der Bahnbestimmung zu erklären.

    Natürlich kann es immer noch so sein, dass eine mit der anerkannten Physik nicht zu erklärende Beschleunigung auf die Sonden wirkt. Die Berechnungen und Ergebnisse von Turyshev et al. widerspricht dieser Möglichkeit nicht. Wer die für plausibel halten will, der kann das nach wie vor tun.

    Was nun die früheren Annahmen von Anderson et al. angeht, so kann ich dazu nur Folgendes sagen:

    Bezüglich Galileo und Ulysses: Bei Raumsonden, die noch häufige Lageregelungsmanöver durchführen müssen, um sicherzustellen, dass die Erde im Hauptkegel der Hochgewinn-Antenne bleibt, wäre ich sehr vorsichtig mit irgendwelchen vermeintlichen unerklärlichen Residuen in den Dopplerdaten. Mit hoher Wahrscheinlichkeit maskieren die Unsicherheiten in Schubhöhe und Pulsbreite der Lageregelungstriebwerke und selbst der Solardruck irgendwelche angenommenen Störbeschleunigungen von der Größenordnung, um die es hier geht. Bei Pioneer 10 und 11 fiel die vermeintliche Anomalie ja nur deswegen auf, weil sie ab einer bestimmten Entfernung kaum noch Nachführmanover brauchten und deswegen so kleine Effekte wie die zunächst unerklärliche Restbeschleunigung von 9*10^(-10) m/s^2 feststellbar wurden.

    Anderson et al. haben in ihrem ersten Paper zum Thema Pioneeranomalie im Jahre 1998 und in den frühen Nachfolgepapers in der Tat noch sehr viele mögliche Erklärungsansätze angeführt. Die Autoren drücken sich auch immer sehr vorsichtig aus. Ihr Problem war, dass sie zuächst davon ausgingen, dass es sich bei besagter Störbeschleunigung um eine zeitinvariante Größe handelt. Das wäre mit thermischen Effekten allerdings schwer zu erklären gewesen.

    Ich kann allerdings auch verstehen, warum sie so vorsichtig sind und nichts ausschließen wollen. Angenommen, es wäre wirklich der Beginn einer neuen Ära in der Physik gewesen. Dann wollten sie natürlich als weitsichtige Wissenschaftler in die Geschichtsbücher eingehen, die den Anstoß zur Revolution in der Physik lieferten. Nicht als die Trottel, die den Schlüssel zur neuen Physik in der Hand hatten, dies aber nicht mitkriegten. Andererseits war auch 1998 schon allen klar, dass es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um eine triviale Ursache handelte. Da musste man sich bedeckt halten. Deswegen das vorsichtige Ansprechen aller Optionen. Bloß nichts unerwähnt lassen, dann kann man hinterher sagen, dass man es als erster gesagt hat. Aber bloß nicht festlegen, weil man mit hoher Wahrscheinlichkeit die Hosen ‚runterlassen muss, wenn man sich zu früh festlegt. Ich wäre da auch vorsichtig. Jeder, der eine Reputation zu verlieren hat, wäre vorsichtig.

    Allerdings ist die anfängliche Annahme einer zeitinvarianten Störbeschleunigung nicht zu halten, wie spätere Datenanalysen über einen längeren Zeitraum hinweg zeigten. Das belegt dieses Paper allein schon im Titel. Wenn es aber eine zeitliche Abhängigkeit der Störbeschleunigung gibt, dann korreliert diese entweder mit dem Sonnenabstand oder mit der thermischen Leistung der RTGs oder mit beidem, ist also ein eindeutiger Fingerzeig auf einen thermischen Effekt. Ich bin sicher, dass Anderson et al. gar nicht über alternative Erklärungen spekuliert hätten, wenn ihnen diese Tatsache bereits damals bekannt gewesen wäre.

    Dass man diese Zeitabhängigkeit nicht gleich fand, liegt in der geringen Größe der Anomalie, die sich eben gerade so aus dem Rauschen abhebt. MK]

  5. Alter Wein in neuen Schläuchen

    In dem Paper der Amerikaner werden die vorangegangenen Veröffentlichungen der Europäer mit keiner Silbe erwähnt. Dabei lagen die drei europäischen Papers ja richtig. Die Amerikaner haben nun dank ihrer besseren Daten den Vogel abgeschossen, keine Frage. Das war den Europäern so nicht möglich. Dennoch zeigen die Papers aus dem Jahr 2011 wie auch das aktuelle in exakt dieselbe Richtung.

    Die Amerikaner konnten demnach auf genügend Vorleistungen zurückgreifen. Heutzutage versucht doch ein jeder sich bestmöglichst zu verkaufen. Fairplay ist im Aussterben begriffen. Sie hingegen betreiben Understatement, wenn Sie sich gegen den Weblink, zu Ihrem Blog-Beitrag, im Wikipedia-Artikel aussprechen. Der Link zu Ihrem Artikel ist aber wichtig, weil Sie Neues fachkundig rüberbringen und auch die Personen erwähnen, die schon vor den Amerikanern zum selben Schluss kamen. Eine gute Recherche umfasst eben mehr, als das bloße abkupfern einer NASA-Meldung.

    [Antwort: Ich denke, Sie sehen das mit dem fehlenden Fairplay zu pessimistisch. Auch Turyshev et al. haben ja eine lange Literaturliste, bei der sie auch auf die Arbeit anderer Autoren verweisen. Nur tun sie eben explizit so, als gäbe es gerade die europäischen Papers aus dem Jahr 2011 nicht. MK]

  6. Pioneer Anomalie

    Michael Khan hat vollkommen Recht, wenn er es als schlechten Stil bezeichnet, dass die Amerikaner die vorangegangenen Veröffentlichungen der Europäer mit keiner Silbe erwähnen. Dies ist bei diesem Völkchen die übliche Methode wissenschaftlich zu glänzen.

    [Antwort: Ich denke, das „wissenschaftliche Glänzen“ kommt dadurch zustande, dass man gute Wissenschaft macht und gute Papers darüber schreibt. Ich finde, beides war hier sogar gegeben. Es wäre überhaupt nicht nötig gewesen, sich des besagten schlechten Stils zu bedienen. Es gibt allerdings auch noch andere Mittel und Wege, einem Paper zu schaden, das einem nicht passt, insbesondere, wenn man selbst der Peer-Reviewer ist. Dann kann man es durch Krittelei beliebig aufhalten. Das ist viel schlimmer als das Nicht-Erwähnen, weil es wirklich dazu führt, dass andere gute Wissenschaft nicht publiziert wird. Da die Identität von Peer-Reviewern nicht preisgegeben wird, kommt man mit der Masche sogar unerkannt durch. Die von der Behinderung betroffenen Autoren mögen sich zwar sicher sein, wer ihnen da ein Bein stellt. Aber sie haben keine Handhabe, um sich zu wehren. MK]

  7. Literaturliste

    (Vorweg: ich habe mir die genannten Papers jetzt nicht selbst angesehen)

    Ich kann mir aber nicht vorstellen, dass ein Paper nur in einer Literaturliste „zitiert“ , im Artikel selbst aber nicht darauf eingegangen wird. Das waere schlechter wissenschaftlicher Stil. Dann koennte ich ja schlicht eine gigantische Literaturliste anhaengen, um den Leser zu beendrucken.
    Jeder Reviewer wuerde das zurueckweisen.
    (Ausnahme: Erwaehnung in den „Credits“, das waere dann aber kein Zitat)

    [Antwort: Es hat auch niemand behauptet, dass Papers nur in der Literaturliste erwähnt werden, im Text aber nicht darauf eingegangen wird. Die in meinem Artikel explizit erwähnten Papers aus Portugal, Deutschland und Italien aus dem Jahr 2011 werden in dem aktuellen US-Paper überhaupt nicht zur Kenntnis genommen. MK]

  8. NASA shamelessly claims Pioneer-solution

    Das in New Scientist wiedergegebene Interview Mysterious Pioneer anomaly: ‚This is the answer‘
    mit einem der Studienautoren der hier vorgestellten Studie beginnt mit der Kopfzeile
    „Astrophysicist Slava Turyshev has explained away decades of exotic speculation over the Pioneer anomaly, the puzzling slowdown of two NASA probes“

    Alles was es an Vorstudien gibt hat der interviewte Forscher zu diesem Satz eingedampft: „Before our latest work, there was some expectation we would see part of the anomaly was due to the spacecraft’s thermoelectric generators producing a lot of heat. This heat recoils and gives a minuscule push against the craft. We didn’t know that this push would match the profile of the anomaly, but that is just what we found in our latest work.“

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