Pioneer 10: 2/3/1972 – 2/3/2022 – Μισός αιώνας διαστημικό ταξίδι

Ο Πάιονηρ 10 (Πρωτοπόρος) είναι το πρώτο διαστημικό σκάφος που ταξίδεψε πέρα από την ζώνη των αστεροειδών και εξερεύνησε τον Δία από κοντά. Εκτοξεύθηκε στις 3 Μαρτίου 1972 από το συγκρότημα εκτοξεύσεων 36 του ακρωτηρίου Κανάβεραλ. Ο Πάιονηρ 10 έχει περάσει την τροχιά του Πλούτωνα και κατευθύνεται σταθερά προς τον αστέρα Αλντεμπαράν στον αστερισμό του Ταύρου. Αν συνεχίσει την πορεία του κανονικά, θα είναι το πρώτο κατασκευασμένο από τον άνθρωπο αντικείμενο που τελικά κατάφερε

να εγκαταλείψει το ηλιακό μας σύστημα, αφήνοντας πίσω του το πεδίο βαρύτητας του ήλιου. Προς το παρόν ακόμα δεν έχει περάσει την ηλιόπαυση και το Νέφος του Όορτ. Η αποστολή του ήταν να μελετήσει τα διαπλανητικά και πλανητικά μαγνητικά πεδία, τον ηλιακό άνεμο, τις κοσμικές ακτίνες, τα όρια του Ηλιοθύλακα, την φυσική διανομή ουδέτερου υδρογόνου στο διάστημα, τις ιδιότητες (μέγεθος, μάζα, ροή, και ταχύτητα) της διαστημικής σκόνης, το σέλας στην ατμόσφαιρα του Δία καθώς και τα ραδιοκύματα που αυτός εκπέμπει, την ατμόσφαιρα του Δία και μερικών από τους δορυφόρους του, ιδιαίτερα την ατμόσφαιρα της Iώ και τέλος να φωτογραφίσει τον Δία και τους δορυφόρους του.

Το 1969 τα σχέδια κατασκευής των δυο δίδυμων σκαφών Πάιονηρ 10 και 11 αποτελούσαν την πρωτοπορία των εξερευνητικών αποστολών. Η αποστολή τους ήταν να συγκεντρώσουν και να μεταβιβάσουν πληροφορίες διανύοντας μεγαλύτερη απόσταση από κάθε προηγούμενη αποστολή, καθώς και να διαπιστώσουν αν ένα σκάφος μπορούσε να ταξιδέψει πέρα από τη ζώνη των αστεροειδών προς τους εξωτερικούς πλανήτες χωρίς κίνδυνο να καταστραφεί. Ο βαθμός της επιτυχίας τους ήταν κρίσιμος για τους προγραμματισμούς και την τεχνολογία μελλοντικών αποστολών.

Ο Πάιονηρ 10 προοριζόταν να ενταχθεί στα πλαίσια του προγράμματος Πάιονηρ του ερευνητικού κέντρου της NASA και από την ανάδοχο εταιρία TRW. Η κατασκευή του ήταν ελαφριά, μάζας μόλις 260 κιλών, ενώ 30 κιλά ήταν το βάρος του επιστημονικού εξοπλισμού και 27 κιλά των καυσίμων, αντίστοιχα. Όπως και τα Βόγιατζερ, τροφοδοτήθηκε από πυρηνικές θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων (SNAP-19s) που παρήγαγαν ρεύμα από τη διάσπαση Πλουτωνίου-238, ισχύος 155W στην εκτόξευση, και 140W κατά την προσέγγιση του Δία. Ο Πάιονηρ 10 μεταφέρει την περίφημη «Χρυσή Πινακίδα του Πάιονηρ» ως αναγνωριστικό χαρακτηριστικό και δείγμα ειρηνικού μηνύματος, σε ενδεχόμενη περίπτωση ανακάλυψής του από κάποιον εξωγήινο πολιτισμό στο απώτατο μέλλον. 

Η συνεχής επαφή του με την Γη

Ο Πάιονηρ 10 εξακολουθεί να εκπέμπει ένα ασθενές σήμα το οποίο επιστημονικά το παρακολουθεί το δίκτυο του βαθέως διαστήματος στα πλαίσια μιας νέας προηγμένης μελέτης θεωρίας του χάους. Το σήμα του επίσης είναι άσκηση κατάρτισης των ελεγκτών πτήσης στο πώς να λαμβάνουμε τα ραδιοσήματα από το διάστημα. Η τελευταία επιτυχής υποδοχή καταγραφών έγινε στις 27 Απριλίου 2002. Έκτοτε το σήμα του έχει εξασθενήσει τόσο πολύ, που δεν ανιχνεύεται. Η απώλεια επαφής οφειλόταν πιθανώς στην αυξανόμενη απόσταση σε συνδυασμό με την εξασθένιση της πηγής ενέργειας, παρά σε τεχνική βλάβη των μηχανημάτων. Το τελευταίο αμυδρό σήμα του Πάιονηρ 10 παραλήφθηκε στις 23 Ιανουαρίου 2003, όταν ήταν 12 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα από τη γη.

Χρυσή πλάκα του Πάιονηρ

Η Χρυσή Πλάκα του Πάιονηρ είναι μια έκδοση εις διπλούν επίχρυσου πλακιδίου από αλουμίνιο, που αποτελεί εικονογραφημένο μήνυμα ειρήνης και φιλίας της ανθρωπότητας προς το Σύμπαν. Βρίσκεται προσαρμοσμένη στο εσωτερικό των διαστημικών σκαφών Πάιονηρ 10 και Πάιονηρ 11.

Η αρχική ιδέα ανήκε στον Έρικ Μπέρτζες, κατά την επίσκεψή του στο Jet Propulsion Laboratory (JPL) στην Πασαντίνα της Καλιφόρνια, στα πλαίσια του προγράμματος Μάρινερ 9. Συνοδευόμενος από τον Ρίτσαρντ Χόγκλαντ, αποτάνθηκε επίσης στον Δρα Καρλ Σάγκαν, που είχε εκφωνήσει ομιλία περί επικοινωνίας με εξωγήινα όντα σε μια διάσκεψη στην Κριμαία.

Ο Σάγκαν ενθουσιάστηκε με την ιδέα της αποστολής ενός μηνύματος της ανθρωπότητας με το διαστημικό σκάφος Πάιονηρ. Η NASA συμφώνησε και του παραχώρησε τρεις εβδομάδες για να συγκροτήσει ένα μήνυμα. Μαζί με το Δρα Φρανκ Ντρέικ επεξεργάστηκαν το μήνυμα, ενώ το σχέδιο έγινε από τη τότε σύζυγο του Σαγκάν, Λίντα Σάλτζμαν Σαγκάν. Η πρώτη πινακίδα εκτοξεύτηκε στο διάστημα με το Πάιονηρ 10 στις 2 Μαρτίου του 1972, και η δεύτερη ακολούθησε στις 5 Απριλίου 1973 με τον Πάιονηρ 11.

Ερμηνεία των γλύφων

Υπέρλεπτη μετάβαση του ουδέτερου υδρογόνου

Στην επάνω αριστερή γωνία της πλάκας απεικονίζεται σχηματικά η υπέρλεπτη μετάβαση του ουδέτερου υδρογόνου, του πιο άφθονου χημικού στοιχείου στο σύμπαν. Κάτω από αυτό το σύμβολο είναι μια μικρή κάθετη γραμμή που αντιπροσωπεύει το δυαδικό ψηφίο του αριθμού 1.

Η αναστροφή σπιν του ηλεκτρονίου ενός ατόμου υδρογόνου από σπιν πάνω σε σπιν κάτω μπορεί να θεωρηθεί ως μονάδα του μήκους (μήκος κύματος, 21 cm), καθώς επίσης και ως μονάδα του χρόνου (συχνότητα, 1.420 MHz). Με τη βοήθεια των δυο αυτών μονάδων εκφράζονται και ερμηνεύονται όλες οι μετρήσεις στις υπόλοιπες εικόνες. Σημειώνεται ότι αφού η πινακίδα έχει πλάτος 22,9 cm, η πραγματική μονάδα του μήκους (21 cm) θα μπορούσε κάλλιστα να έχει απεικονιστεί (σαν τις γραμμές του χάρακα), αλλά αυτό δεν θεωρήθηκε καλή ιδέα.

Άνδρας και Γυναίκα - στο φόντο το διαστημόπλοιο.

Στην δεξιά μεριά της πινακίδας, η μορφή ενός άνδρα και μιας γυναίκας παρουσιάζονται μπροστά από το διαστημικό σκάφος. Δυο παράλληλες γραμμές στα δεξιά οριοθετούν το ύψος της γυναικείας φιγούρας, ανάμεσα στις οποίες βρίσκεται ο αριθμός 8 σε δυαδική μορφή. Εάν πολλαπλασιάσουμε τον αριθμό 8 με το μήκος που χαρακτηρίσαμε προηγουμένως λαμβάνουμε 8 * 21 cm = 168 cm.

Το υψωμένο δεξί χέρι του άνδρα θεωρείται ως φιλικός χαιρετισμός και σημάδι καλής θέλησης. Εκτός αυτού παρουσιάζει τις λεπτομέρειες των άνω άκρων και δείχνει ότι τα άκρα των ανθρώπων μπορούν να καμφθούν. Επίσης παρουσιάζει τον αντιτακτό αντίχειρα, που βοήθησε σημαντικά την εξέλιξη του ανθρώπου.

Αρχικά ο Σαγκάν ήθελε τους δυο ανθρώπους να δίνουν το χέρι τους, αλλά σύντομα συνειδητοποίησε ότι ένας εξωγήινος θα μπορούσε να θεωρήσει το ζευγάρι ως ένα ενιαίο πλάσμα παρά σαν δύο ανθρώπους.

Σχετική θέση του ήλιου στο γαλαξία και σε σχέση με 14 Πάλσαρς

Στο αριστερό μέρος της πλάκας απεικονίζεται ένα ακτινωτό σχέδιο με 15 γραμμές που ξεκινούν από το ίδιο κέντρο. Οι 14 γραμμές περιλαμβάνουν στο μήκος τους δυαδικούς αριθμούς, οι οποίοι αντιπροσωπεύουν την περίοδο 14 γνωστών σε εμάς Πάλσαρ. Η περίοδος μετράτε με μονάδα την υπέρλεπτη μετάπτωση του υδρογόνου, όπως αναφέρθηκε πριν. Εκτός αυτού οι τιμές αυτές καθορίζουν την αστρονομική εποχή της έναρξης της αποστολής, αφού η περίοδος των Πάλσαρς μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου.

Τα μήκη των 14 γραμμών παρουσιάζουν τις σχετικές αποστάσεις των Πάλσαρς από τον ήλιο του ηλιακού μας συστήματος. Ένα σημάδι στο τέλος κάθε γραμμής δίνει την συντεταγμένη στον κάθετο άξονα Ζ του γαλαξιακού συστήματος αναφοράς. Οι 14 Πάλσαρς επιλέχθηκαν με το σκεπτικό, ότι μερικοί Πάλσαρς μπορεί να μην είναι ορατοί από τη θέση μέσα στο Γαλαξία που θα έχουν τα όντα που θα ανακαλύψουν το μήνυμα. Έτσι η πολλαπλότητα επιλογών αυξάνει τις πιθανότητες σωστής ερμηνείας.

Η 15η γραμμή, που εκτείνεται πίσω από τις μορφές των ανθρώπινων όντων, δίνει την απόσταση του Ήλιου από το κέντρο του Γαλαξία.

Ηλιακό σύστημα

Στο κατώτατο σημείο της πινακίδας είναι μια σχηματική αναπαράσταση του ηλιακού συστήματος καθώς και μια μικρή εικόνα του διαστημικού σκάφους, και η τροχιά του που ξεκινάει από την Γη, περνάει από τον Δία και εγκαταλείπει το ηλιακό σύστημα. Οι δακτύλιοι του Κρόνου δίνουν επίσης άλλη μια ένδειξη για τον προσδιορισμό του ηλιακού συστήματος. Οι δυαδικοί αριθμοί δίπλα στους πλανήτες παρουσιάζουν την σχετική απόσταση από τον ήλιο. Ως μονάδα χρησιμοποιείται το 1/10 της τροχιάς του Ερμή.

Σχεδιάγραμμα του διαστημικού σκάφους

Πίσω από τις εικόνες των δύο ανθρώπινων όντων, φαίνεται η σκιαγραφία του διαστημικού σκάφους Πάιονηρ. Απεικονίζεται στην ίδια κλίμακα έτσι ώστε το μέγεθος των ανθρώπινων όντων να μπορεί να επαληθευθεί και από τη σύγκριση με το μέγεθος του διαστημικού σκάφους. 

Μία ανωμαλία στην πορεία των δύο διαστημικών σκαφών

Πρόκειται για το «φαινόμενο Pioneer», μία ανωμαλία στην πορεία των δύο διαστημικών σκαφών Pioneer 10 και 11 τα οποία βρίσκονται και τα δύο σε απόσταση δεκάδων δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων από τη Γη, με κατεύθυνση γειτονικά αστρικά συστήματα.

Αν και επικοινωνία μαζί με τα δύο σκάφη έχει χαθεί εδώ και πολλά χρόνια, ήδη από το 1980 φαίνονταν να έχουν μια ανεξήγητη, πολύ μικρή επιβράδυνση στην ταχύτητά τους, πέραν της επιβράδυνσης από τη βαρύτητα του Ήλιου. Η επιβράδυνση ήταν της τάξης των 0.9 νανόμετρων το δευτερόλεπτο και η προέλευσή της ήταν τελείως πρωτόγνωρη στους χειριστές των δύο σκαφών. Η τελευταία επικοινωνία με το Pioneer 10, το 2003, επιβεβαίωνε τη συγκεκριμένη ανωμαλία, και το φαινόμενο προβλημάτισε τους επιστήμονες για δεκαετίες, τόσο που είχαν προταθεί ακόμη κι εναλλακτικές θεωρίες για τη βαρύτητα. 

Μία έρευνα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, φαίνεται πως λύνει το συγκεκριμένο γρίφο. Σύμφωνα με αυτή, η επιβράδυνση προκαλείται από την πίεση προς τα πίσω που προκαλεί στο όχημα η εκπομπή θερμότητας. Αν και είναι εξαιρετικά μικρή, είναι προβλέψιμη, και οι εκτιμήσεις των επιστημόνων συμφωνούν με τα στοιχεία από τα Pioneer. «Το φαινόμενο μοιάζει με το να οδηγείς ένα αμάξι, και οι εκπομπή φωτός από τους προβολείς του να σε σπρώχνει προς τα πίσω», εξηγεί ο Slava Turyshev, ο κύριος συγγραφέας της έρευνας για λογαριασμό της NASA. 

Το 2004, ο Turyshev αποφάσισε να ασχοληθεί σοβαρά με το θέμα, συγκεντρώνοντας στοιχεία από την τηλεμετρία που είχαν εκπέμψει τα δύο Pioneer. Τα πρώτα στοιχεία μάλιστα είχαν αποθηκευτεί στις «πρωτόγονες» διάτρητες κάρτες που χρησιμοποιούνταν για την αποθήκευση πληροφοριών τη δεκαετία του 70, και τα υπόλοιπα σε δισκέτες και μαγνητικές ταινίες. Μαζεύοντας με αυτό τον τρόπο 43 Gigabytes δεδομένων και με τη βοήθεια του προγραμματιστή Viktor Toth, κατάφεραν να λύσουν το μυστήριο. Το ότι το φαινόμενο παρατηρείται μόνο στα Pioneer, οφείλεται στην ιδιαίτερη κατασκευή τους και τη θερμότητα που εκπέμπεται από τα ηλεκτρικά του συστήματα, αλλά και την πυρηνική ενέργεια από τις διασπάσεις πλουτωνίου στον αντιδραστήρα των δύο σκαφών. 

«Φαίνεται πως η φυσική επικράτησε», λέει ο Turyshev. «Ίσως θα ήταν πιο συναρπαστικό να ανακαλύψουμε κάποιο νέο είδος φυσικής, τουλάχιστον όμως λύσαμε ένα μυστήριο», καταλήγει.