AYKIRI KIZ: PIONEER-10

Voyager-1, popülaritesini her daim diri tutmayı başarmış uzay araçlarının başında gelir. Ancak okulun bu en popüler kızının ardında, pek tanınmıyor olsa da önemi yadsınamayacak aykırı bir kız vardır: Pioneer-10!

Bu yazıda, Voyager-1/2 ve Pioneer-10/11 ikizlerinden, Voyager-1 ve Pioneer-10’a odaklanacağız. Popüler kız Voyager-1 ve aykırı kız Pioneer-10’un maceraları arasında mekik dokurken, otuz yıl boyunca bilim dünyasını meşgul etmiş ‘Pioneer aykırılığı’nı da (Pioneer anomaly) yazının merkezinde bulacaksınız…

*

Voyager-1 fırlatıldığında, yaklaşık beş buçuk yıldır keşifte olan Pioneer 10; astroid kuşağını geçen ilk uzay aracı olmuş, ve Jüpiter’in ötesine geçmeyi başarmıştı. Bir yandan boş durmamış, Jüpiter üzerinde direkt gözlem yaparak ve yakın plan fotoğraflar çekerek başka başka ilklere de imzasını atmıştı.

Voyager-1’in yolculuğunun başladığı 1977 yılında ise Pioneer-10; o zamanların gezegeni, şimdinin cüce gezegeni, Plüton’un bulunduğu mesafeyi hedeflemiş, tam gaz ilerlemekteydi. Nitekim 1983’te Plüton’un ötesine geçme ilkine de nail olacak ve Dünya’dan ‘en uzak’ uzay aracı olma unvanını on beş yıl daha elinde bulunduracaktı.

Dış Güneş Sistemi’ni keşfe giden ilk araç Pioneer-10 Dünya’dan uzaklaşıyordu, ancak 1980 yılına gelindiğinde; bilim insanları, ters giden bir şeylerin ayırdına vardılar: Doppler kayması sonuçlarına göre Pioneer-10, gereğinden fazla yavaşlıyordu!

Yanımızdan hızla geçip giden bir Formula-1 aracı düşünelim. Aracın bize olan mesafesi değiştikçe duyduğumuz sesin yalnızca şiddeti değil, frekansı da değişir. Bize doğru yaklaşan araçtan gittikçe tizleşen bir ses duyarken araç uzaklaştıkça sesin pesleşmeye başladığını duyarız. Aracın ürettiği ses sabit olmasına rağmen, ‘viiiuuu’ şeklinde bir ses duyma sebebimiz, hızla bize doğru yaklaşan aracın ürettiği her yeni ses dalgasının kulağımıza ulaşana dek daha kısa yol izlemesi, yani daha kısa sürede bize ulaşabilmesidir. Araç yaklaştıkça ses dalgalarının bize ulaşma sıklığı artar ve daha yüksek frekansta bir ses işitiriz. Benzer şekilde uzaklaşan araçtan duyduğumuz sesin frekansı da gitgide azalır. Bu durum Doppler kayması olarak adlandırılmaktadır.

Dalga boyu, frekansla ters orantılıdır. Yani bizden hızla uzaklaşmakta olan cisimlerden gelen sinyallerin dalga boylarının gittikçe arttığını ve bize hızla yaklaşan cisimlerden gelen sinyallerin dalga boylarının gittikçe azaldığını söyleyebiliriz.

İnsan gözü en kısa dalga boyuna sahip renk olan mor ile en uzun dalga boyuna sahip kırmızı arasındaki renkleri ayırt edebilir (yaklaşık 400nm-700nm arası). Bu yüzden, dalga boyunun kısalma durumuna ‘maviye kayma’ (ya da mora kayma), dalga boyunun uzama durumuna ise ‘kırmızıya kayma'(ya da kızıla kayma) denir.

Kısacası; bize yaklaşan bir cisimde maviye kayma, uzaklaşan bir cisimde kırmızıya kayma görürüz. Ayrıca cismin uzaklaşma hızına göre bu kırmızıya kaymanın şiddeti de değişir. Bu kavramdan hareketle, galaksilerin birbirlerinden uzaklaştıkları ve daha uzak galaksilerin daha hızlı uzaklaştıkları tespit edilerek evrenin genişlediği, hatta artan bir hızla genişlediği sonucuna varılmıştır.

Benzer şekilde Pioneer-10 üzerinde yapılan Doppler kayması ölçümlerinin beklenenden farklı bir sonuç verdiği görülmüş; Pioneer-10’un, hesaplanandan biraz daha fazla yavaşladığı tespit edilmiştir.

Küçük, küçücük, göreve, araştırmalara, Pioneer’in yörüngesine etkisi yok sayılabilecek bir yavaşlayış… Bu küçük değer, sonradan yapılacak bütün araştırmalara sebebi bulunamayan bir ‘sapma’ olarak direnecek, bildik tüm etmenleri içinde barındıran hesaplamalara meydan okuyarak varlığını ve bilinmezliğini korumayı sürdürecekti.

1972’de gönderilen Pioneer ikizlerindeki bu aykrılığın ancak 1980’de tespit edilebilme sebebi ise, Pioneer-10’un 20 astronomik birimlik mesafeye 1980’de erişebilmesi ve Güneş ışınımının yarattığı basıncın etkisinin ancak bu mesafede Pioneer aykırılığını tespit edebileceğimiz kadar geri planda kalmasıdır.

(1AU=Güneş-Dünya arası mesafe ~150milyon [km])

Bu kesin tespitin ardından bilim insanları kolları sıvadılar. Aykırılığın sebebine dair bir açıklama sunmasa da; yedi yıl boyunca Pioneer’ın üzerindeki sensörlerden alınan ölçümleri içeren telemetri verilerinin analizine ilişkin çalışmanın sonuçları, ilk kez 1998 tarihli makalede yayımlandı. 1998 yılı aynı zamanda Pioneer-10’un ‘insan yapımı en uzak cisim’ olma bayrağını Voyager-1’e kaptırdığı yıl olarak da tarihe geçmiştir ve Voyager-1, bu unvanını halen korumaktadır.

Nihayetinde Pioneer aykırılığı, sebebi bilinmeyen ama varlığı bilinen, 20-70 AU  mesafede sabit kabul edilen ve yönü Güneş’e doğru olan küçük bir ivmelenme olarak literatüre geçti. (Değeri: a_p=(8.74 ± 1.33) × 10^-8 [cm/s²]

Bu ivmenin ne kadar küçük olduğunu görebilmek adına kaba bir hesap yaparsak; sabit bir hıza kilitlenmiş şekilde, kesintisiz seyreden bir aracın hızının, 10 yılda sadece 1[km/sa] azalması olarak düşünebiliriz. Öte yandan, Pioneer’in hızının [km/sa] cinsinden on binler ölçeğinde olduğunu da unutmamak gerekir.

İvmenin yönü ise Güneş’e doğrudur. Aşağıdaki şekilde 1 numaralı ok Pioneer’den Güneş’e doğru çizilmiştir. 2 numaralı ok Dünya’yı, 3 numaralı ok aracın gidiş yönünün tersini (V’nin tersi) ve 4 numaralı ok aracın dönüş aksisini göstermektedir. Pioneer aykırılığı ise 1 numaralı ok yönündedir.

Otuz yılı aşkın süre boyunca gizemini koruyan Pioneer aykırılığının üzerindeki sır perdesi, geçtiğimiz yıl kaldırıldı. Böylesi bir bilinmezliği çözme yolunda bilinir fizikten, bilinmeyene pek çok öneri ortaya atılmış; evren anlayışımızın değişeceğini düşünenler dahi çıkmıştır. Ancak nihai sonuç, yeni teorilerin doğacağı ve fizik kurallarının değişeceği beklentisinde olanlar için tam bir hayal kırıklığı olmuştur:

Diğer uzay araçlarında, örneğin Voyager’da bu denli gözlemlenmeyen etkiyi araştırmak için NASA-JPL’den Slava Turyshev önderliğinde bir çalışma yapıldı. Yıllar boyunca Pioneer’dan alınmış veriler incelenerek Pioneer’ın detaylı bir termal modeli oluşturuldu ve derinlemesine bir ısıl analiz gerçekleştirildi.

Günümüz yazılımlarının hakkını verecek nitelikte bir termal modeli 1970’lerin başında tasarlanmış bir uzay aracı için oluşturabilmek hiç kolay olmasa gerek…

Pioneer’lar, kendi üzerlerindeki altı farklı sensörden aldıkları sıcaklık bilgilerini Dünya’ya düzenli olarak gönderiyorlardı. Yıllar boyunca alınan bu veriler  toparlanarak hesaplamalarda kullanıldı ve Doppler verilerinden bağımsız olarak oluşturulan termal tepki kuvveti (thermal recoil force) modeline göre yapılan hesaplamaların Doppler verileri ile paralellik arz ettiği görüldü. %80 oranındaki bu paralellik, Pioneer aykırılığını açıklamak için yeterliydi.

Pioneer aykırılığının sebebi, termal tepki kuvveti’ydi…

Turyshev, çalışmanın sonucunu şu sözlerle özetliyor:

            “Termal tepki kuvveti tam anlamıyla hesaba katıldığında, geriye aykırı bir ivmelenme kalmıyor.”

            “Yeni bir tür fizik keşfetmek elbette heyecan verici olsa da, biz bir gizemi araladık.”

*

Pioneer’ların açığa çıkardığı ısı her yöne eşit olarak yayılmıyordu (anisotropic thermal radiation). Nükleer güç üreteçlerinin yaydığı ısı, yansımalardan sonra aracın ön tarafına doğru yönleniyor ve fazlaca ısınan elektronik sistemlerin de aracın ön tarafında konuşlanmış olması, ön tarafa doğru daha fazla ışımaya sebep oluyordu.

Newton’un 3. hareket yasasını hatırlayalım: Her etkiye karşı, eşit ve zıt bir yönde bir tepki vardır. Bilindik bir örnek olarak tüfek atışını ele alırsak; ateş edildiğinde, bu etkiye karşılık tüfeğin geri teptiğini görürüz. Benzer durumu, ateş etmeyen ancak ışınım yapan Pioneer için de düşünebiliriz.

Pioneer’ın yaydığı ısının ve dolayısıyla tepki kuvvetinin her yönde eşit olmaması, bir yöne doğru net tepki kuvveti oluşmasına sebep oluyor; bu kuvvetin aracın gidiş yönünün tersine oluşması ise böyle bir yavaşlamayı beraberinde getiriyordu.

Turyshev, Pioneer aykırılığını; seyir halindeki aracın farlarından çıkan fotonların aracı geri itmesine benzetiyor…

Ancak Pioneer aykırılığını düşünerek, yakıt tasarrufu olsun diye farları yakmamak etkili bir yöntem olmayacaktır. Zira farlarla birlikte yanan stop lambaları, (bire bir aynı olmaları durumunda) iki yönde de (aracın içine doğru), aynı şiddette tepki kuvveti oluşturacak ve net kuvvet sıfır olacaktır. Bu örneği biraz daha abartarak fren yaptığımızı düşünelim. Aracın yalnızca arkasında bulunan fren lambalarından çıkan fotonların aracımızın gidiş yönünde bir tepki kuvveti oluşturarak frenin etkisini azalttığını söyleyebiliriz. Ancak bu kadar küçük ve ihmal edilebilir bir etki için fren lambalarını sökmenin pek de akılcı olacağını söyleyemeyiz.

*

Aykırı kız Pioneer’in aykırılık sorunu çözüldüğüne göre en başa dönebiliriz:

Bir gün akıllı bir yaşam formunun uzay araçlarını bulma ihtimali düşünülerek tasarlanmış mesajlar, hem Pioneer hem de Voyager araçlarının üzerlerinde bulunmaktadır. Ancak Pioneer’ın üzerinde yalnızca altın kaplı levhaya işlenmiş görsel bir mesaj bulunurken, Voyager’a çeşitli çizimler, müzikler, yansımalar ve Türkçe dahil elli beş ayrı dilde söylenmiş selamlama mesajları konulmuştur.

Yazıyı sonlandırmadan önce bu iki uzay aracının güncel durumlarına bakacak olursak: Pioneer-10, 108AU mesafeden; Voyager-1 ise 125AU mesafeden ve birbirlerine hemen hemen zıt yönlerde Dünya’dan uzaklaşmaya devam etmektedirler.

Pioneer-10’dan 2003 yılının Ocak ayından itibaren haber alınamamaktadır. Voyager ise Dünya’ya veri göndermeye devam etmektedir.

Voyager üzerindeki afili mesaj Pioneer’inkini gölgede bırakırken, ‘en uzak’ olma şerefi yıllar önce Pioneer’dan Voyager’a geçmişken, ve ‘gözden ırak, gönülden ırak’ durumu yalnızca Pioneer için geçerliyken, Pioneer’ın daha popüler olmasını beklemek zaten beyhude olurdu…

Boğaziçi Elektrik-Elektronik Mühendisliği mezunudur ve İTÜ Uçak-Uzay Mühendisliği’nde yüksek lisans yapmaktadır. Donanım mühendisi/araştırmacı olarak çalışmalarını sürdürmekte olup; bilim, bilim tarihi, edebiyat, bilimkurgu ve gereksiz hesap kitap işleriyle uğraşmaktan büyük keyif alır. | Twitter | Blog

Podcast: Play in new window | Download

Subscribe: RSS

• Slava G. Turyshev, Michael Martin Nieto, and John D. Anderson, “A Route to Understanding the Pioneer Anomaly”, 2004
• John D. Anderson, Philip A. Laing, Eunice L. Lau, Anthony S. Liu, Michael Martin Nieto and Slava G. Turyshev, “Study of the anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11″, 2012
• Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth, Gary Kinsella, Siu-Chun Lee, Shing M. Lok and Jordan Ellis, “Support for the thermal origin of the Pioneer anomaly”, 2012
• http://www.planetary.org/blogs/bruce-betts/3459.html
• http://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/pioneer_anomaly.html
• http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2012-209
• http://solarsystem.nasa.gov/news/display.cfm?News_ID=4618
• http://voyager.jpl.nasa.gov/mission/fastfacts.html
• http://solarsystem.nasa.gov/missions/profile.cfm?MCode=Pioneer_10