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16.05.11 · 10:04 Uhr
Die Pioneer-Anomalie: gelöst
Kategorie: Naturwissenschaften·Technik · Kommentare: 46
Die sogenannte "Pioneer-Anomalie" hat die Wissenschaftler seit Jahrzehnten beschäftigt. Dabei geht es um die Bahnen der Raumsonden Pioneer 10 und 11 die 1972 bzw 1973 ins All gestartet sind. Die Sonden fliegen nicht so, wie sie es eigentlich sollten sondern werden ganz leicht abgebremst. Man hat lange probiert die Gründe herauszufinden und von simplen technischen Problemen der Sonde bis hin zu einer neuen Physik war eigentlich alles dabei. Jetzt hat man das Problem endlich gelöst. Judith Selig, Michael F. Schönitzer und Florian Schlagintweit studieren Physik an der LMU München und haben letztes Semester eine Arbeit über die Pioneer-Anomalie (sie steht unter CC-BY-SA 3.0 Lizenz) verfasst. Für einen Gastbeitrag* haben sie ihre lange Arbeit nochmal zusammengefasst. Viel Spaß damit!
Im Februar 1969 genehmigte die NASA zwei Sonden mit dem Ziel den Asteroidengürtel, das
interplanetare Medium zwischen Mars und Jupiter, die äußeren
Planeten sowie die für die heutige Raumfahrt wichtigen Flyby-Manöver zu erforschen: Pioneer 10 (Start am 2. März 1972) und Pioneer 11 (Start am 6. April 1973).
Die Navigation der Sonden erfolgte durch 2-Wege Radio-Dopplermessung durch Messstationen des DSN. Diese Messungen lieferten eine Frequenzverschiebung, welche nach Berücksichtigung zahlreicher beeinflussender Faktoren in die Geschwindigkeit der Sonden umgerechnet werden kann. Da die Messungen äußerst präzise waren und man alle nennenswert beeinflussenden Faktoren genau berücksichtigte (bishin zu der Auswirkung der Plattentektonik auf die Relativgeschwindigkeit) ist die Messung der Geschwindigkeit äußerst präzise.
Auf der anderen Seite, konnte man aus den genau bekannten Massen von Sonne, Planeten, Mond und größeren Asteroiden, sowie einem Modell des Sonnenwindes die Bahn theoretisch berechnen.
Wie bei solchen Missionen üblich, hat man nun die Messwerte laufend an die Berechnungen gefittet (es gibt einige freie Parameter wie die Manöver der Sonden) und Abweichungen, wenn sie zu groß waren durch zusätzliche frei bestimmte Parameter korrigiert. So konnte man mit Hilfe der so bestimmten Parameter die zukünftige Bahn berechnen und ggf. navigierend eingreifen.
Im "Nachhinein" überlegte man sich dann worauf diese Parameter zurückzuführen sein könnten. Nun stellt man seit Anfang der 80-er Jahre fest, dass es eine bis dato unerklärliche konstante Beschleunigung von (8,74 ± 1,33) * 10-8 cm/s2 in Richtung Sonne gab.
Zunächst dachte man, man hätte es nur mit einem Rechen- oder Computerfehler oder einem nicht berücksichtigten Einfluss zu tun, doch die Analysen wurden verfeinert, und vielfach - auch von unterschiedlichen Personen und unterschiedlichen Programmpaketen - überprüft. Die Anomalie und ihr Wert wurden immer wieder bestätigt. Sie wurde zur „Pioneer-Anomalie" und zählt(e) bis heute zu einem der wichtigsten ungelösten Probleme der Astrophysik.
Später erkannte man, dass es auch zeitlich periodische Unstimmigkeiten gibt, die ebenfalls bis heute nicht erklärt wurden.
Als die Anomalie als real existierendes physikalisches Problem anerkannt wurde, bekamen auch die Überlegungen, was wohl die Ursache der Anomalie seien könnte, neuen Antrieb.
Als erstes stellt sich hier natürlich die Frage, ob es sich um einen sondeninternen oder einen externen Effekt handelt. Nach einigen Berechnungen konnten interne Gründe, wie z.B. ein Rückstoß durch Radiowellen, thermische Emission der RTGs (radioisotope thermoelectric generator, zu deutsch Radionuklidbatterie) und Ausstoß von Helium in der RTGs ausgeschlossen werden. Auch die sondenexternen Effekte wurden gründlich untersucht. Man stellte jedoch auch hier fest, dass die Größe, oder das Vorzeichen nicht stimmten. So waren der Strahlungsdruck, der Sonnenwind, die Sonnencorona, Lorentzkräfte durch eine elektrische Ladung der Sonde und die Gravitation des Kuipergürtels nicht in der Lage, die anormale Beschleunigung zu erklären.
Da die Anomalie eine Kraft in Richtung Sonne darstellt, ist die erste Idee natürlich ein gravitativer Effekt. Wie oben erwähnt, sind jedoch die Massen der Objekte im Sonnensystem, die hier eine Rolle spielen, gut bekannt. So konnte schnell gezeigt werden, dass das newtonsche Gravitationsgesetz, sowie die relativistischen Korrekturen, nicht die Ursache sein kann. Für sehr große Entfernungen und sehr kleine Beschleunigungen sind diese Gesetze allerdings nur schlecht bis gar nicht überprüft bzw. überprüfbar. Deshalb kam die Idee auf das Graviationsgesetz bzw. das 2. newtonsche Gesetz zu modifizieren. Aus F=m·a wird dann in der modifizierten Newtoschen Dynamik (MOND) F=m·a·y, y ist ein unspezifizierter Faktor, der bei großen Beschleunigungen 1 und bei kleinen Beschleunigungen a/a0 ist, wobei a0 die Grenzbeschleunigung ist, ab welcher MOND greift. Bei der Pioneer-Anomalie handelt es sich um eine Beschleunigung, die klein genug ist, dass man mit MOND rechnen müsste und es lässt sich ein y konstruieren, so dass man sogar auf den richtigen Wert käme. MOND ist als Ursache für die Pioneer-Anomalie allerdings leicht zu widerlegen, denn wenn die Anomalie tatsächlich gravitativen Ursprungs wäre, hätte man schon seit längerem unerklärliche Abweichungen in den Bahnen der äußeren Planeten beobachten müssen.
Schnell fiel auf, dass der Wert der Anomalie ungefähr gleich H0*c ist (H0 ist die Hubblekonstante und c ist die Lichtgeschwindigkeit). So kamen Spekulationen auf, dass die Ausdehnung des Universums und damit die Dunkle Energie die Ursache für die Pioneer-Anomalie sein könnte. Die Idee dahinter ist, dass die Anomalie keine wirkliche Beschleunigung ist, sondern nur eine Veränderung des Dopplersignals, welche durch die Ausdehnung des Universums hervorgerufen wird. Diese Theorie lässt sich aber leicht entkräften: Die Anomalie zeigt in Richtung der Sonne und nicht, wie es diese Theorie fordert, von der Sonne weg. Hätte die Dunkle Energie tatsächlich einen Effekt auf das Signal, so würde sich das in einer Rotverschiebung und nicht in der gemessenen Blauverschiebung der Frequenz äußern.
Nicht nur die Theorie der Dunklen Energie und MOND wurden als Erklärungsversuche in Betracht gezogen, auch die Dunkle Materie kam für kurze Zeit in Betracht, die Anomalie zu lösen. Dies scheiterte jedoch an zwei Gründen:
- Wenn es in unserem Sonnensystem eine derart große Menge an Dunkler Materie (in 50 AU müssten sich 5,9·1026 kg befinden) angesammelt hätte, dann wären auch die Planetenbahnen davon betroffen. Dies ist jedoch laut den genauen Vermessungen der Planetenbahnen nicht der Fall.
- Das Sonnensystem hat, nach unserem Verständnis, in seiner Lebensdauer von 4,5·109 Jahren nur etwa 1020 kg an Dunkler Materie ansammeln können. Diese Masse kann in keiner Weise den Betrag der Pioneer-Anomalie erklären.
Da es nicht nur um die Ursache, sondern auch um das Wesen der Anomalie zahlreiche offene Fragen gibt, wurde mehrfach vorgeschlagen eine eigene Mission zu starten um die Anomalie genauer zuvermesen. Erstes Ziel der Mission sollte sein die Anomalie zubestätigen. Desweiteren sollte die Größe der Beschleunigung genau bestimmt werden, sowie ihre genaue Richtung (in Richtung Sonne, Erde, Geschwindigkeitsvektor oder Spinachse). Außerdem sollte das Verhalten der Anomalie über lange Zeiträume hinweg überprüft werden und ob der Effekt auch außerhalb der Ekliptik auftritt.
Als vielversprechende Erklärung hat sich die unterschätzte thermische Emission und Reflexion der Sonden herauskristallisiert. Der Hintergrund ist der, dass die Photonen der Wärmestrahlung bekannterweiße auch einen Impuls haben. Strahlt die Sonde nun in eine Richtung mehr Wärme als in die entgegengesetzte ab, so wirkt auf die Sonde dadurch eine Beschleunigung.
Da alle anderen internen Fehlerquellen relativ genau modelliert wurden und externe Fehlerquellen als Ursache ausgeschlossen wurden, nehmen wir an, dass die Beschleunigung durch die thermische Abstrahlung zustande kommt. Dies würde allerdings zur Folge haben, dass die Anomalie nicht konstant ist, sondern, wie die Halbwertszeit von Pu-238 in den RTGs, abnimmt. Da im Jahr 2002, als die erste umfangreiche Arbeit über die Pioneer-Anomalie veröffentlicht wurde, noch kein vollständiger Telemetrie Datensatz vorlag, konnte dies damals noch nicht überprüft werden. Die momentan laufenden Analysen der gesamten Daten könnten darüber Aufschluss geben.
Die Untersuchung der thermischen Emission ist zur Zeit Bestandteil einiger Studien. Ende März 2011 wurde auf dem Preprint-Server ArXiv.org eine Arbeit von portugisischen Wissenschaftlern veröffentlicht, die eine Erklärung für die Anomalie aufgrund der thermischen Abstrahlung gefunden haben wollen - eine Veröffentlichung in in Physical Review D wird angestrebt. Die zentrale Annahme in dieser Arbeit ist die, dass nicht nur die RTGs als Lambertstrahler1 angenommen werden, sondern auch das Fach für die technischen Geräte als Lambertstrahler modelliert werden muss. Außerdem wird die Reflexion von thermischer Emission an der Sonde mit in die Berechnungen mit einbezogen. Am 20. April 2011 veröffentlichen Benny Rievers und Claus Lämmerzahl vom ZARM in Bremen ebenfalls auf ArXiv.org eine Arbeit welche die Anomalie ebenfalls durch thermische Abstrahlung erklärt. Sie simulieren die thermische Abstrahlung jedoch mit der Methode der finiten Elemente. Somit gibt es eine unabhängige Überprüfung. Die enge zeitliche Abfolge der beiden Veröffentlichungen lässt uns vermuten, dass es hier offensichtlich ein Wettrennen zwischen den beiden Gruppe gab.
Diese Erklärungsmodelle werden zur Zeit vom JPL, namentlich von J.D. Anderson, M.M. Nieto und S.G. Turyshev2 überprüft. Es ist sehr wahrscheinlich, dass damit die Pioneer-Anomalie gelöst ist.
Mit der Lösung der Pioneer-Anomalie, 40 Jahre nach dem Start der Sonden und 30 Jahre nach Entdeckung der Anomalie, geht ein wichtiges Kapitel der Astrophysik zu Ende. Die Ergebnisse werden für zukünftige Deep Space Raumfahrtmissionen wichtige Erkenntnisse sein.
Auch die wissenschaftliche Bedeutung ist groß:
Die Pioneer-Sonden stellten einen der größten Tests unserer Gravitationsgesetze dar, und während es anfangs so aussah, als ob die Daten unserem Weltbild widersprechen würden, so scheinen die Daten nun unsere Gesetze zu bestätigen. Die bereits seit längerer Zeit laufende Neuanalyse der kompletten Daten der Sonden, könnte dies abschließend klären.
Auch wenn die gefundene Erklärung eine im Vergleich zu andern Vorschlägen (Dunkle Energie, Dunkle Materie, MOND) vergleichsweise konservativ und fast schon "langweilig" ist, so ist die wissenschaftliche Bedeutung der Anomalie dadurch nicht geschmälert, sind es doch gerade auch Negativ-Resultate und Überprüfungen existierender Theorien, die die Wissenschaft zu dem macht was sie ist.
1: Ein Lambertstrahler ist ein Objekt, welches in alle Raumrichtungen gleichmäßig Strahlung abgibt
2: Diese drei können auch als die Entdecker und führenden Experten der Anomalie angesehen werden.
Dieser Beitrag ist eine Zusammenfassung der Arbeit "Die Pioneer-Anomalie" von Judith Selig; Michael F. Schönitzer und Florian Schlagintweit. Diese Arbeit ist trotz ihrer Ausführlichkeit explizit auch für Nicht-Physiker/Astronomen verständlich geschrieben. Sie kann unter http://pioneer.99k.org/ frei heruntergeladen werden. Dort findet man auch eine Auseinandersetzung von Michael F. Schönitzer mit der Bedeutung der Lösung der Pioneer-Anomalie.
*: Wer auch das physikBlog regelmäßig liest, hat vielleicht gemerkt, dass dieser Gastbeitrag auch dort erschienen ist. Anscheinend haben sowohl die physikBlogger als auch ich die Münchner Studenten um einen Gastbeitrag gebeten ;)
Autor: Florian Freistetter· 46 Kommentare· Permalink· Trackback-URL
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Kommentare (46)
Toll - irgendwie aber auch schade; wieder nix mit neuer Physik :-(
Sehr schön. Selbst wenn in dieser Arbeit noch Fehler drinstecken sollten (wovor niemand gefeit ist), ist hier in diesen paar Zeilen bereits der deutliche qualitative Abstand zwischen ernstaften Forschern und ...äh ...phantasievollen Assoziatoren wie unserem allseits beliebten Entdecker des Raumstations-Absturzes mit Antimaterie-gesteuerter Mond-Heraussprengung.
Wenn Herr B. doch nur so sachlich bleiben könnte wie diese Arbeitsgruppe...
Was ich aber DEN Hammer schlechthin finde, ist die Ansage, daß in den Dopplersignalen auch die Plattentektonik herausgerechnet wird. Das sind doch bloß einige Zentimeter pro Jahr. *doppelstaun*
Sehr interessant! Dennoch warte ich mit dem Jubeln ueber die Aufloesung der Pioneer Anomlie mal ab, bis das in nem gescheiten Paper veroeffentlicht ist. In ArXiv.org gibt es wirklich genug Schund (u.a. zahlreiche 'Widerlegungen' der beruehmtesten mathematischen Saetze, ...)
...
Ohne die Paper gelesen zu haben... wenn die Anomalie durch thermische Abstrahlung zustande kommt, warum wirkt sie sich dann erst ab 5AU aus und bleibt ab 15AU etwa konstant?
Wenn die thermische Abstrahlung derart gerichtet ist, könnte man die Sonde doch einmal um 180Grad drehen und schauen, was dann passiert (falls das überhaupt noch geht, und falls man die Antenne danach wieder richtig ausrichten könnte).
@Schlappohr: soweit ich das verfolgt hab, ist der Betrag so gering, daß erst bei genügend starker Reduktion des Sonnenwinds durch großen Abstand zur Sonne tatsächlich ein Effekt zu messen ist. Vorher geht das einfach im Rauschen unter.
(args ... wieder mal zu früh geklickt)
daher ist auch der Fehlerbalken bei 10 AU so groß und verschmälert sich bei den größeren Entfernungen immer mehr. (Wobei ich ehrlicherweise gestehen muß, daß ich da spekuliere. Es könnte dafür einen anderen Grund geben. Aber er paßt so schön.)
sollte bei thermischer Abstrahlung der Effekt nicht auch von der Sonne weg und nicht zur Sonne hin sein?
Danke für die tollen und kritischen Kommentare.
@Bullet: Man war bei der Anomalie so sehr verzweifelt, dass man wirklich ALLES herausgerechnet hat, was nur im entferntesten einen Einfluss auf die Doppler-Daten haben könnte.
@Wizzy: Es stimmt, auf arXiv.org gibt es viel Schrott, dennoch sprechen ein paar Gründe für die Lösung. Klaus Lämmerzahl hat bereits akzeptierte Papers über die Anomalie veröffentlicht und ist kein unbeschriebenes Blatt auf dem Gebiet der Pioneer Anomalie. Wenn 2 Forscher-Teams zur fast gleichen Zeit mit zwei unterschiedlichen Methoden auf das gleiche Ergebnis kommen, so ist es doch sehr wahrscheinlich, dass die Anomalie gelöst ist. Außerdem können die Papers nicht soviel Schrott beinhalten (ich selbst hab das von den Portugiesen gelesen und es klang recht plausiebel), wenn Anderson et al. sich dessen annehmen.
@schlappohr: Die Idee ist prinzipell gut, doch hat einige kleinere Hacken: 1. Das letzte Signal von Pioneer 10 haben wir 2003 (Pioneer 11 gab leider schon deutlich früher den Geist auf) erhalten. Seitdem gab es keinen Kontakt mehr, weil die RTGs nicht mehr genügend elektrische Energie zum betreiben der wichtigsten Geräte bereitstellen könen (zu deutsch: Die Batterie ist leer). 2. Der Treibstoff einer Mission wird sehr genau kalkuliert um möglichst viel Masse zu sparen. Ein derartiges Manöver ist nicht in den Kalkulationen mit drin und deswegen gibt es nicht genügen Treibstoff an Board der Sonde um sie einfach umzudrehen. 3. Selbst wenn es möglich wäre, die Sonde umzudrehen gibt es auf der Rückseite nur eine 5W Antenne. bei den derzeitigen Entfernungen können wir keinen Kontakt mehr herstellen.
Was die Konstanz angeht, so konnte man im ersten Datensatz, auf dem masgeblich unsere Arbeit beruht, nur etwa 10 Jahre auswerten. Das reicht nicht um die Halbwertszeit von Pu-238 von 87,7 Jahren darzustellen. Sprich, innerhalb der Messfehler ist die Anomalie mit dem ersten Datensatz konstant. Da der gesammte Datensatz noch ausgewertet wird, weis man nicht, ob die Anomalie konstant ist, oder abnimmt. Ich denke aber, dass die komplette Auswertung bald abgeschlossen sein wird und somit sich die These über die Wärmeabstrahlung verfestigen wird, da die Anomalie vermutlich mit der gleichen Halbwertszeit abnehmen wird.
Nein. Die Abstrahlungsrichtung wird von der Form der Sonde und der Position des fraglichen Gerätes vorgegeben.
Was ist eigentlich mit den Vojagern?
Wenn es ein bisher unbekanntes physikalisches Phänomän ist, dann müssten ja auch die Voyagers davon betroffen sein. Ist dort nichts, dann ist es seh wahrscheinlich, dass irgendwas (thermische Abstrahlung) an den Pioneers den Effekt ausgelöst hat.
Gibt es Untersuchungen in diese Richtung?
...
@ Florian Schlagintweit
Danke für Deinen ausführliche Antwort. Hab mir schon gedacht, dass der Treibstoff nicht mehr reicht für so einen "irren Iwan". Den hätte man vermutlich bereits viel früher für andere Manöver verwendet.
Meine Idee mit der Antenne wäre gewesen, sie Sonde so zu programmieren, dass sie sich umdreht, ein paar Monate weiter fliegt und dann wieder zurückdreht. Aus der Entfernungsdifferenz hätte man vielleicht auf die Beschleunigung zurückrechnen können.
Aber da wir keinen Kontakt mehr haben, ist das eh alles Wunschdenken...
SCHWAR_A·
16.05.11 · 12:58 Uhr
Wie mißt man die Masse von äußeren Planeten????
Keplergesetze vielleicht?
Entfernung: bekannt
Umlaufzeit: bekannt
Sonnenmasse: bekannt
Brauchst du mehr?
@SCHWAR_A:
Am einfachsten, indem man die Umläufe ihrer Monde beobachtet. Mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz (Tipp an Bullet: Keplergesetzen genügen da nicht, weil in denen keine Massen vorkommen) kann man dann die Planetenmassen leicht ausrechnen.
Alternativ wäre z. B. auch möglich, gravitative Einflüsse auf die Bahnen anderer Planeten, Kometen, Sonden etc. zu beobachten (und wieder das Newtonsche Gravitationsgesetz zu benutzen). Dürfte aber deutlich schwieriger sein.
Bullet·
16.05.11 · 16:12 Uhr
Aaaaaaah. Ich Versager. Schnell, einen Pranger für mich. *wein*@MartinB
Naja... es ist schon stellenweise schwer die "alte" gänzlich zu verstehen. In Phasen einer Stagnation kann man sich die zeit nehmen das alte nach zu holen ;)
Der hier verlinkte bzw. abedruckte Gastbeitrag ist jetzt aber nicht wirklich Original Research, sondern nur eine Zusammenfassung der Historie der Anomalie und eine Erklärung der beiden aktuellen Lösungsansätze, oder wie? Die Einleitung vermittelt den Eindruck, dass die Autoren eine eigene Lösung gefunden haben.
@Bullet: *auf den Rücken klopf* Nicht weinen - hast's ja gut gemeint und auch größtenteils gut gemacht... ;-)
Vielen Dank für einen weiteren, tollen Blogbeitrag! Selbst Astronomie-Laie sind solche Beiträge immer wieder interessant zu lesen, weil mich die Themen unglaublich stark begeistern. Danke, dass es solche Seiten gibt. :-)
*Muss mal demnächst FlattR anwerfen! ^^
Ich hab' mir die verlinkte Seite mal kurz angeschaut und da folgendes gefunden:
(Hervorhebung von mir)Dazu kann ich nur noch sagen: *Neid*
@Bjoern: "eplergesetzen genügen da nicht, weil in denen keine Massen vorkommen"
Hmm? Also in T²=4pi²a³/(G(M+m)) seh ich schon 2 Massen... Und wenn ich Umlaufzeit, Halbachse und Sonnenmasse kenne, kann ich damit die Planetenmasse berechnen. Kepler und Newton sind auch auch äquivalent; ich kann die eine Formel aus der anderen ableiten.
Das ist wohl sinnentstellend gekürzt worden
Variable Halbwertszeit?Tja, nihil jie, auch wenn schon weite Teile der 'normalen' Physik unverständlich (bzw zumindest kontraintuitiv) sein mögen - im Gegensatz zu dem typischen Gejammere der EsoFraktion über die dogmatischen NaWis, die ach so verschlossen jedwegem Neuen gegenüber seien, wäre es wirklich wesentlich interessanter, wenn etwas Besseres, Neues zur Beschreibung der Vorgänge im Universum gefunden werden müßte.
Beim Austesten der Notwendigkeit des Neuen dient das Alte als Nullhypothese (=das zu widerlegende). Das wirkt für die geistig Unbedarften wohl wie ein verzweifeltes Festhalten an Gewohntem. Eben genau das Verhalten, das die von sich selber gewohnt sind...
Freud hätte sein Freud.
@Florian Freistetter:
Das Problem ist nur, daß die Planetenmasse m gegenüber M seeehr klein ist und damit wohl kaum einigermaßen exakt berechnet werden kann. Insbesondere dann nicht, wenn's nur die Masse einer Pioneer-Sonde ist...@Bjoern:
Das Problem mit den Monden eines äußeren Planeten ist dadurch aber nicht gelöst, weil ja wiederum die Massen der Monde, die in diesem Fall ja durchaus relevant sind, auch nicht bekannt sind.
Was? Ich muß gar nicht an den Pranger?
@Kallewirsch
zu den Voyegern:
Bei den beiden Sonden konnte die Anomalie nicht festgestellt werden. Das liegt aber daran das die Sonden anders gebaut und navigiert sind. Die Pioneer-Sonden sind spin-stabilisiert und konnten so sehr genau navigiert werden. Die Voyeger-Sonden sind aber 3-Achsen-Stabilisiert. Das heißt, dass es zu jeder Achse Triebwerke gibt, die die Lage korrigieren. Damit sind andauernd solche Korrekturmanöver notwendig, die bei der spin-stabilisation wegfallen Deshalb ist der Fehler in der Geschwindigkeitsbestimmung der beiden Voyegers zu groß, um die Anomalie zweifelsfrei nachzuweisen.
Bzgl. Planetenbahnen: Zum einen hängen diese nur sehr gering von ihrer eigenen Masse ab - Pluto (jaja, ist kein Planet mehr...) hat nur ~7 Milliardstel der Sonnenmasse, entsprechend wäre selbst bei Vernachlässigung seiner Masse der Fehler seiner errechneten Beschleunigung von etwa 6*10^(-6) m/s^2 unmerkbar klein (~4*10^(-14) m/s^2).
Zum anderen kann man bei nicht so extremen Massenverhältnissen (z. B. Pluto/Charon 10:1) die großen Halbachsen beider Himmelskörper vermessen und erhält somit zusammen mit der Umlaufdauer und der Gravitationskonstante beide Massen.
Bei den Gasriesen und ihren vergleichsweise leichten Monden mag das nicht gehen - aber hier gilt wieder obiges: Die Summe der Massen ist leicht messbar, und ein Fehler bei der Bestimmung der Mondmasse wirkt sich nur gering auf den Fehler der Planetenmasse aus. Und diese Planetenmasse insgesamt wirkt sich nur sehr gering auf den Fehler der Umlaufbahn aus. Insgesamt sollte ein Fehler in der Gegend von m_Mond / m_Sonne herauskommen, wenn man die Mondmasse abschätzt noch kleiner. Erfordert für Präzisionsmessungen sicher den Einfluss anderer Monde, allerdings bieten diese gleichzeitig wieder die Chance auf absolute Massenmessungen.
@rolak
Si si... ich stimme dir schon so zu. Dennoch denke ich das das "alte" noch einiges in sich birgt. Sich manche Dinge noch mal genauer an zu sehen schadet bestimmt nicht ;) Ja aber schon klar... etwas Neues ist immer sehr inspirierend. Aber ob das wirklich etwas noch nie dagewesenes sein würde... ??? hmmmm... ich denke da eher an einige "Erweiterungen". Vielleicht ein neuer Effekt der etwas beweisst... das kann ich mir da eher vorstellen. So wie auch bei dem Thema... man hat so lange gebraucht um es heraus zu finden (nicht negativ gemeint). Und jetzt hat man es anscheinend das Problem geklärt. Und jetzt ist man um einiges schlauer :) Und dabei hat man auch nichts fundamental neues entdeckt nur das vorhandene wissen benutzt um es "passender und umfangreicher" an zu wenden als bis jetzt der Fall war. Und das ist auch schon ein Fortschritt. Zumindest ist das Wissen welches man dabei gewonnen hat auf weitere zukünftige Missionen anwendbar.
@Florian:
Wenn du das Keplersche Gesetz so formulierst, dann natürlich schon. Aber das ist ja wohl nicht die eigentliche, ursprüngliche Version des Gesetzes, so, wie sie Kepler damals hingeschrieben hat - sondern eine deutlich später aufgestellte, erweiterte Version, die eben das Newtonsche Gesetz mit berücksichtigt. Ursprünglich hat Kepler nur gesagt, dass sich die Kuben der großen Halbachsen genauso zueinander verhalten wie die Quadrate der Umlaufzeiten - mehr nicht. Von Massen, Gravitationskonstante usw. hat er garantiert nichts erwähnt!(übrigens stimmt mir Wikipedia da auch zu - laut denen erhält man deine Version nur in Kombination mit dem Gravitationsgesetz...)
Ich antworte noch mal anders.... auch für Rolak :)
Martin... nein nicht neue Physik... die alte... aber gut angewendet ;)
Ich möchte hier auch mal ein Lob an die Messtechniker aussprechen. Den Effekt, den die Wärmestrahlung von ein wenig Elektronik auf die Flugbahn eines "Raumschiffes" hat zu messen ist schon irre.
@mfb:
Genau das ist eben leider nicht der Fall, sondern nur: "Die Summe der Massen ist leicht errechenbar". Das ist aber doch das eigentliche Problem: wir kennen nicht die tatsächliche Masse, und somit können wir auch nicht sagen, ob es einen gravitativen Effekt gibt, oder nicht - das ist m.E. schlichtweg unentscheidbar.@SCHWAR_A: Ich verstehe dein Problem nicht so ganz. Was genau versteht du überhaupt unter der "tatsächlichen" Masse? (die träge Masse, statt der schweren Masse? sind die deiner Ansicht nach nicht gleich, oder was?) Und warum können wir nicht sagen, "ob es einen gravitativen Effekt gibt"? Was meinst du damit?
xxx
schöner beitrag...nur ist mir auch noch nicht klar, warum die beschleunigung zur sonne hin zeigt und nicht weg? der kurze kommentar von bullet erleuchtet mich nicht wirklich....kann da bitte jemand etwas genaueres zu sagen?
@Bjoern:
Genau darauf bezieht sich aber meine Kritik: Eine ungefähre, abgeleitete Meßgröße, die Masse von äußeren Planeten, wird zur absoluten erhoben und daraus quasi ein Beweis gegen "gravitative Effekte" abgeleitet. Das ist m.E. unwissenschaftlich.Die "tatsächliche" Masse eines Planeten ist die, die wir nicht direkt messen können. Wir können die Masse nur ungefähr aus anderen Meßgrößen samt der möglicherweise unvollständigen Formeln errechnen. Unvollständig, weil zB. der "gravitative Effekt", um den es hier geht, ungeklärt ist und somit auch in den Formeln nicht enthalten sein kann. Die Masse der Pioneer-Sonde ist aber exakt bekannt, weil direkt gemessen. Jetzt wird behauptet, daß
Daher meine Frage: Wie mißt man die Masse von äußeren Planeten?
Eine Antwort wie "Die kann nur ungefähr errechnet werden" ist auch OK - man sollte das nur klar sagen...
@Typ:
du meinst die Sache mit dem Rauschen? Der Sonnenwind ist natürlich nicht konstant. Er "flackert" quasi ein wenig. Solange die auswärts gerichtete Beschleunigung eines kleinen leichten Objektes wie eines Satelliten durch den unregelmäßigen Sonnenwind hundertmal so stark ist wie jene anomale Abbremsung, wird man den Effekt nicht entdecken können. Erst wenn durch den großen Abstand zur Sonne der Strahlungs- und Teilchenwinddruck auf ... mmm ... die Hälfte der Anomalie sinkt (und damit auch das Flackern), kann man das messen. Aus demselben Grund drehst du den Fernseher leiser, wenn du verstehen willst, was jemand neben dir flüstert.War das hilfreicher?
@bullet
da hatte ich dich wohl missverstanden...ich dachte, dein kommentar bezieht sich auf die richtung der beschleunigung.... aber meine frage hat sich schon geklärt....denken hilft manchmal.. trotzdem danke!
@SCHWAR_A
Wenn man die Planetenmasse anhand der Umlaufzeit seiner Monde bestimmt, ist M die Masse des Planeten, nicht die der Sonne, und m die des Mondes. Um genau zu sein bestimmt man aus der Umlaufzeit m+M, und das ist in etwa dann gleich M, wenn m sehr klein gegenüber M ist (Vorbeiflüge von Raumsonden an Planeten liefern daher noch genauere Werte, da ist m=Masse der Sonde fast nix und die Bahn kann durch Dopplermessungen der Funkfrequenz sehr genau ermittelt werden, auch wenn's keine Umlaufbahn ist).
Um m und M einzeln zu bestimmen, muss man die Lage des gemeinsamen Schwerpunkts kennen. Bei Doppelsternen z.B. die Bahn eines Einzelsterns um den gemeinsamen Schwerpunkt.
@Alderamin:
Ah, danke, jetzt wird's klarer...
Jetzt müßten nur noch alle neueren Beobachtungen mit der "genaueren" Masse der äußeren Planeten überprüft werden, ob es kleine Abweichungen in Richtung Sonne im Rahmen von 10^-10 m/s^2 gibt...
Weil ja hier die Gravitations-Konstante G wichtig ist: Ist eigentlich immer berücksichtigt worden, daß ihr Wert im Laufe der Zeit immer weiter verändert/verbessert wurde? Man sollte ja wohl mit nur "einem" G rechnen...
@ASCHWAR_A
Sicherlich rechnet man stets mit dem genauesten Wert für G und dann werden Ergebnisse in der SI-Einheit kg wohl ein wenig in der dritten oder viersten Ziffer schwanken. Wenn man die Masse jedoch, wie allgemein üblich, in Erdmassen angibt, dann spielt der exakte Wert von G keine Rolle. G kürzt sich nämlich einfach raus, wenn man die Planetenmasse und die Erdmasse ins Verhältnis setzt.
@Alderamin:
Was ich meinte, war der Bezug von G zu den beiden Pioneer-Kurven. Gerade die 'Ausreißer' bei etwa 35 und 40AE könnten doch durch Anpassungen und Verschiebungen von G hervorgerufen sein, oder nicht?
Hier mal eine Tabelle der G-Anpassungen und die Pioneer-Positionen im Diagramm:
1975: Luther et al: 6,6699+-0,0014
1982: Luther G., Towler W.:6,6726+-0,0005: Pioneer 10 bei 26AE
1985: Karagioz et al: 6,6730+-0,0005: Pioneer 10 bei 35AE (Ausreißer)
1987: Karagioz et al: 6,6730+-0,0005: Pioneer 10 bei 40AE (Ausreißer)
1988: Karagioz et al: 6,6728+-0,0003: Pioneer 10 bei 43AE / Pioneer 11 bei 23AE
1989: Karagioz et al: 6,6729+-0,0002: Pioneer 10 bei 46AE / Pioneer 11 bei 26AE
1990: Karagioz et al: 6,6730+-0,00009: Pioneer 11 bei 29AE (Ausreißer?)
Man erkennt, daß 0,0001 Unterschied im G etwa 0.3·10^-10 m/s^2 ausmacht. Ich denke, wenn alle Daten mit verschiedenen G (Delta 0.0001) berechnet werden, wird die sich ergebende Kurvenschar eine vertikale Verschiebung um jeweils etwa 0.3 aufzeigen und nicht mehr so zick-zack verlaufen.
Netter Artikel, aber schade, dass er von der furchtbaren Rechtschreibung so entstellt wird.
@Bernd: Sehr hilfreicher Kommentar ...
*kopfschüttel*
@Bernd
Wo ist den da die Rechtschreibung missbraucht worden so das sie furchtbar ist ?
Es wäre ja bestimmt zu viel verlangt darum zu bitten die Fehler der RECHTSCHREIBUNG
rauszusuchen und hier im Kommentarteil breit zu schlagen.
Aber so ein kleiner Hinweis wo den der Blogautor sich in der deutschen Sprache vertan hat wäre schon extrem hilfreich.
@FF sorry