30年来の宇宙の謎、パイオニア異常現象がついに解明されるかもしれない

30 年前、NASA の科学者たちは、2 機の宇宙船、パイオニア 10 号とパイオニア 11 号が、謎の未知の力に支配されているかのように、わずかにコースを外れていることに気付きました。1998 年、科学界全体がその軌道変更 (パイオニア異常と名付けられました) を察知し、絶え間なく驚くほど詳細な調査を行い、それ以来、物理学におけるカルト的な地位にまで上り詰めました。しかし、1,000 本近くの学術論文、多数の国際会議、そして多くの科学者のキャリアを生み出した今、この愛すべき宇宙の謎は消え去ろうとしているのかもしれません。

カリフォルニア州パサデナのジェット推進研究所（JPL）の科学者スラヴァ・トゥリシェフ氏とカナダを拠点とするソフトウェア開発者のヴィクトル・トス氏は、パイオニア異常現象に関する極めて包括的な新たな分析結果を数ヶ月以内に発表する予定だ。彼らの研究は、現代天体物理学における最も長く、最も波乱に満ちた推理小説の1つに終止符を打つものとなるだろう。

NASA は 1972 年の春にパイオニア 10 号を打ち上げ、その 1 年後にはパイオニア 11 号を打ち上げた。この宇宙船の共同ミッションは、小惑星帯、木星、土星 (パイオニア 11 号の場合)、およびそれらの衛星に関する情報を収集することだった。探査機はさまざまな天体のそばを猛スピードで通過しながら、それらの大気と表面のこれまで知られていなかった特性を計測し、木星の赤斑と土星の環を初めて間近で撮影した。そして、1970 年代半ばに「フライバイ」ミッションを完了した後も、パイオニアは飛行を続けた。男性と女性、水素の原子遷移、銀河系内の地球の位置 (宇宙人へのメッセージ) を描いた同一のプレートを積んだ探査機は、太陽系を越え、想像を絶する冷たさと暗闇の星間空間に突入した最初の人工物となった。

JPL の科学者たちは、パイオニア号を遥か遠く宇宙までドップラー追跡し続けました。科学者たちはパイオニア号とパイオニア号の間で連続的に無線信号を送受信し、それぞれの軌道に沿ったあらゆる場所での速度を記録しました。天文学者のジョン・アンダーソンがドップラー測距データの分析を主導しました。彼と彼のチームは、太陽や大型惑星の圧倒的な影響から遠く離れた太陽系外縁部の微妙な重力効果を研究するためにデータを使用するつもりでした。たとえば、パイオニア号は低周波の重力波に合わせて振動する可能性があると考えられていました。

もちろん、宇宙船の動きに見られるこのような奇妙な現象を検知するためには、科学者たちはまず何が起こるかを正確に知る必要がありました。そのためには、実に驚くほど複雑なアルゴリズムを構築する必要がありました。予測されたドップラーシフトに寄与する要因には、パイオニア号が太陽、惑星、衛星、小惑星帯、彗星雲の重力に抵抗して減速したこと、これらの位置と重力場は常に変化していること、太陽の放射線が宇宙船に及ぼすわずかな圧力 (宇宙船が遠ざかるにつれて時間とともに弱まり、宇宙船の角度が変わると圧力も変化)、宇宙船が遠ざかるにつれて電波が跳ね返ってから地球で受信されるまでの遅延時間が長くなること、太陽からの電波にかかる重力抵抗、地球の自転によって無線送信に生じる周波数シフトなど、挙げればきりがありません。アンダーソンは、その頭痛の種となる宇宙の影響を 1 つのアルゴリズムに統合しました。しかし、残念ながらうまくいかなかったようです。

1980 年、彼は、自分のアルゴリズムに基づいて受け取ると予想したドップラーシフトと、宇宙船から送られる無線信号の実際の測定されたシフトとの間に小さな食い違いがあることに気付きました。予想された動きと実際の動きが、完全には一致していなかったのです。太陽と惑星の重力に逆らって外側に移動するにつれて、宇宙船は当然減速していました。しかし、問題は減速しすぎていたことです。毎年、両方の宇宙船は、アルゴリズムによると、それぞれの経路上にあるはずの場所から数百マイル遅れていました。もちろん、宇宙旅行の観点からは大したことではありません。しかし、些細なことでもありません。一定の余分な加速度は、太陽に向かって 8.74 x 10-10 m/s2 に上り、重力による加速度の 100 億分の 1 ですが、それでも間違いなく存在します。

アンダーソンの最初の反応は、自分のアルゴリズムに何かが欠けているに違いない、というものだった。宇宙船の運動に対する何らかの小さな影響が、数学的な計算に反映されていなかったに違いない。数年にわたる考察と議論の結果、アンダーソンと彼の直属のチームは、異常な加速は「ガス放出」、つまりスラスタから滴り落ちる燃料が宇宙船に反力を与えることによって引き起こされたに違いないという結論に達した。その時点で宇宙船は推進力なしで星間空間を巡航していたため、科学者たちは燃料滴はすぐに滴り落ちなくなり、影響はなくなるだろうと考えた。しかし不可解なことに、そうはならなかった。その後の10年間で、宇宙船は数十億マイルのマイレージを獲得したが、本来のマイル数より数千マイル少ない数だった。

1994 年、アンダーソンはニューメキシコ州サンタフェ近郊のロスアラモス国立研究所の宇宙学者マイケル・マーティン・ニエトから突然メールを受け取りました。ニエトは最近、ニュートンの重力の逆二乗法則に代わる理論、MOND (修正ニュートン力学) と呼ばれる新しい理論に興味を持ち、アンダーソンに連絡して、NASA が宇宙船の運動の観測に基づいて重力の強さについてどの程度確信を持っているかを調べました。アンダーソンは、実際のところ、重力はパイオニアにとってうまく機能していないようだと返信しました。

ニエトは、パイオニア 10 号と 11 号が経験した小さな異常な加速度の正確な値を読んだとき、椅子から落ちそうになった。(典型的な物理学の言い方で言うと、「私のオフィスの床は固く、コンピューター用の椅子には車輪が付いていたので、私が「何?」と反応して背中を反​​らすと、椅子が転がり始めた」) そこには、深遠な宇宙の偶然が起こっていた。ニエトがすぐに気づいたように、パイオニアの異常の値は、いわゆる「宇宙の加速度」(光速「c」にハッブル定数「H」を掛けたもの) とほぼ正確に等しく、異常の原因が物理学の基礎にあることを示唆していた。

ニエト氏はその場で、アンダーソン氏とジェット推進研究所で共同研究する契約を結び、パイオニア異常の大規模な調査を開始し、それ以来、その研究に全力を注いできた。なぜか？「パイオニア異常は、重力が反比例関係から外れていることを示す最初の証拠となる可能性がある」と同氏は最近語った。「非常に大きな意味を持つ可能性がある」

モスクワからジェット推進研究所に到着したばかりのスラヴァ・トゥリシェフは、すぐにアンダーソンとニエトに加わった。他の3人とともに、彼らは入手可能なパイオニアのドップラーデータすべての詳細な調査を開始した。同時に、彼らは他のミッションのデータも調べ、ユリシーズとガリレオの軌道にも異常の暫定的な証拠を見つけた。[注: 自由に浮いているのはパイオニア、ユリシーズ、ガリレオだけです。NASAの他のすべての宇宙船は3軸安定化されています。つまり、軌道を維持するために3方向にガス推力を加え、これらの修正により、運動の小さな偏差が消去されます。3軸安定化されていない4機の宇宙船はすべて、ジェット推進研究所の科学者には偏差が生じているように見えました。 ] 1998年、彼らはPhysical Review Letters誌の厄介な問題を引き起こす記事で、その発見を世界に発表した。

その後、大混乱が続いた。「1998年は非常に興味深い年でした。パイオニア異常が明らかになったちょうどその時に、ダークエネルギーが発見されたのです」とトゥリシェフ氏は説明した。「つまり、宇宙がダークエネルギーによって加速していることが分かり、人々は『ほら、太陽系にとても面白いものが見つかった。重力を修正すれば、すべてが消えて、アインシュタインとニュートンは王座から引きずり下ろされるだろう』と大喜びしていたのです」

結局のところ、天体運動の小さな異常が物理学に大変動をもたらしたことはこれまでにもある。1915 年にアインシュタインの一般相対性理論を証明するのに役立ったのは、水星の近日点の有名な「異常な」歳差運動だった。1998 年には、この歴史的前例との比較により、パイオニア異常の注目度が間違いなく高まり、また、パイオニア異常を説明しようとした多くの「アウトサイダー」理論の注目度も高まった。これらのうちの 1 つの例は、前述の MOND で、これは、巨大な物体から遠く離れた場所では重力は反比例の法則に従わず、わずかに異なる法則に従うと仮定している。1998 年以降に発表された数百の物理学論文は、MOND がパイオニア異常の有効な説明を提供していると主張している。

さらに何百人もの研究者が、銀河の周縁部に広がる大量の未検出の「暗黒物質」の存在がパイオニア宇宙船に摩擦抵抗力を及ぼし、速度を低下させているのではないかと仮説を立てている。

4 年前、椅子から落ちそうになったときにニエトが気づいた偶然に、また別の物理学者集団が気づいた。暗黒エネルギーと宇宙の加速膨張の同時発見という状況で、パイオニア異常の値が宇宙の加速膨張の値に等しいことは非常に重要な意味を持つように思われた。おそらく NASA は何年も宇宙の膨張を測定していたのだろう、と科学者たちは考えた。

より保守的な物理学者たちは、もし暗黒物質やMONDが宇宙船の異常な加速を引き起こしているのなら、それらは最も外側の惑星の運動にも影響を与えているはずだが、そのようなことは何も観測されていないと、非常に正しく指摘した。彼らの意見では、パイオニアの異常は存在しなかったか（つまり、JPLの科学者がドップラーデータを誤って解釈した）、あるいは単に古い機器の故障から生じたものである。最も可能性の高い原因は、宇宙船の熱放射であると考えられた。

熱異常？

パイオニアの発電機内部のプルトニウムは、最高出力時に毎秒 2,500 ジュールの熱エネルギーを放出しました。その熱の一部は電気に変換され、計器類を動かしました。残りは宇宙にそのまま放射されました。何らかの機械的な理由で発電機から熱が不均一に放射された場合、一方向に放射される余分な熱が不均衡な反動力を発生させ、宇宙船を加速させます。実際、物理学界がすぐに指摘したように、一方向に放射される熱が他方向よりわずか 5% 多いだけで、パイオニアの異常を説明するのに十分な反動力が発生します。

その点をきちんと考慮して、JPL チームはその後数年間、熱に関連するすべての証拠の調査に費やしました。そして 2002 年に評決を下しました。熱については無罪です。第一に、ジェネレーター内のプルトニウムが崩壊するにつれて、放出する熱が減少したため、熱が原因であれば、宇宙船の異常な加速も時間とともに減少するはずである、と彼らは言いました。しかし、そうはなりませんでした。一定しているように見えました。第二に、ジェネレーターは宇宙船の本体からかなり離れた長い棒の端に設置されていました。その遠い距離から、宇宙船に当たって反動力を与える熱はごくわずかであると計算されました。観測された効果を引き起こすには桁違いに小さすぎます。第三と第四に、ガリレオとユリシーズによって提供された暫定的な証拠がありました。どちらもパイオニアとはまったく異なる電源システムを採用していました。

彼らの議論は大勢の物理学者を説得し、彼らはアインシュタインと非相対論的な助手ニュートンの座をめぐって大いに競い合い始めた。ドイツ、スイス、米国、そして世界各地で開かれた会議や会合で、彼らは演壇から次のような理論を唱えた。「この異常現象は、実は宇宙の時間加速を反映している！この異常現象は、アインシュタインの時空が構築されているリーマン幾何学が不完全であることを示している！我々は新しい力を発見した！太陽系は膨張している！太陽系はホログラムだ！弦理論の次元が宇宙船を引っ張っている！」活発なアイデアの応酬、あるいはヴィクトル・トースが言うところの「突飛な憶測」は、それ以来衰えを知らない。

地球に戻る

ヴィクトル・トスの趣味は、古いコンピュータゲーム、未解決の数学や物理の問題、データ処理、宇宙、ビンテージの電子機器などです。これらすべてを結びつけるベン図のちょうど真ん中にパイオニア異常があり、トスが今のような状況、つまりその渦中にいるのも不思議ではありません。最初から懐疑的だったトスは、異常が本当に存在するかどうかを自分で確かめるために、自宅のコンピュータを使用して、公開されているパイオニアのドップラーデータを独自に分析することから始めました。 （誰の証言でも、トスのデータ処理能力は驚異的で、彼は他の人の能力を丁寧に疑っているようだ。「いわゆる『宿題』の多くが終わっていない」と彼は言った。）彼は天体の影響に関する独自のアルゴリズムを構築し、それに基づいてデータを処理し、両者の間に本当に不一致があることを確認した後、その理由の解明に乗り出した。ここでも、過去の分析はほとんど考慮されなかった。

特に、アンダーソン氏とそのチームが 2002 年に完成させた研究は、異常の原因が熱の影響によるものではないとしており、十分に徹底したものとはほど遠いと彼は考えていた。「パイオニア宇宙船の熱分析が適切かつ詳細に行われていなかったことに気づいたことは、もちろん私にとって大きな動機でした」と彼は語った。「つまり、何かを成し遂げよう、ということです」

より完全なデータセットを求めて、トスはJPLのトゥリシェフと連絡を取り始めた。彼らは、以前に分析した10年間のセグメントよりもはるかに長い期間にわたるドップラーデータの分析が必要であることに同意した。「パイオニアは70年代にパンチカードで打ち上げられました」とトゥリシェフは説明した。「当時はFortran、次にC、そして現在はC++を使用しているため、古いデータをすべて最新のナビゲーションソフトウェアに変換する必要がありました。」ドップラーデータに加えて、彼らは宇宙船からのテレメトリデータも分析することにした。トゥリシェフはこれを「ハウスキーピング情報」と表現し、各パイオニアの表面を覆う114個のセンサーによって収集され、無線通信中に地球に送り返された。最も重要なことは、テレメトリデータには、ミッションの全期間を通じて、各宇宙船のすべての瞬間の温度に関する情報が含まれていたことだ。

それは 2005 年のことでした。トスはオタワの自宅から車でやって来て、古いデータがすべて保管されていたエイムズ研究センターで初めてトゥリシェフに会ったのです。到着すると、建物の入り口の外に大きなゴミ箱が停まっていました。30 年以上にわたるパイオニアのドップラー データとそれに対応するログブックがすべて 2 週間以内に廃棄されることになっていました。当時、エイムズの資金はわずかで、何もアーカイブする余裕はありませんでした。「状況がそれほど悪いと気づいたとき、私たちは叫び、叫び、踊り、笑い、歓声を上げました。その結果、エイムズの人たちに少しの資金が与えられ、すべての資料とプロジェクト情報をアーカイブすることができました」とトゥリシェフは回想します。「とても興奮しました」。テレメトリ データについては、その時点でエイムズからほとんどが消えていましたが、幸運なことに、引退したパイオニアのミッション コントロール エンジニア、ラリー ケロッグが偶然にもすべてを保存していました。いつかパイオニアミッションのコンピューターシミュレーションを構築し、それをオンラインで配信したいという希望から、彼は退職してエイムズを去る前に、古いファイルをすべて自分のラップトップにコピーしていた。ログブックが捨てられたとき、元同僚がそれをゴミ箱から掘り出し、ケロッグにも送った。ケロッグはエイムズの駐車場でトスとトゥリシェフに会い、すべてを手渡した。

それから、彼らの研究は本格的に始まりました。トゥリシェフは、彼と彼の JPL チームが以前に行った分析に対するトスからの批判についてどう感じたのでしょうか。彼は間違いがあったことに同意しているようです。「私たちが今日知っていることを 2002 年に知っていたら、少し違った方法で分析していたでしょう」と彼はコメントしました。「その間、人々は何年もかけてこれを研究しました。今、私は決着をつける責任を感じています。」

5 年が経過した。テレメトリー データを使用して、2 人の科学者は各パイオニア宇宙船の極めて精巧な「有限要素」3D コンピューター モデルを作成し、30 年間のミッション期間中、表面の 10 万箇所の熱特性を個別に追跡しました。宇宙船の表面の熱伝導について、また、発電機の電力が減少するにつれて熱の流れと温度が時間とともに低下する様子について、彼らはすべて把握しています。テレメトリー分析の結果は? 「熱反動力が加速の一部を占めています」とトゥリシェフは言いました。どの程度重要な部分なのかは教えてくれませんでした。 （トゥリシェフ氏：「我々はそれを科学文献で発表したいと思っています。」）しかし、トス氏によると、「熱加速を考慮した後に異常値が残ったとしても、それはせいぜい標準値 8.74 x 10-10 m/s2 よりはるかに小さいことは間違いありません。そして、人々が語る素晴らしい数値的偶然性はすべて破壊されることに注意してください。」

しかし、熱シミュレーションの結果はそれだけでは十分ではありません。結局のところ、熱加速度は時間とともに低下し、過去にはパイオニアの異常は常に一定であると信じられていました。シミュレーションは、分析がまだ完了していないドップラー追跡データと時間的に一致する必要があります。長年にわたる複数の変換により、ドップラーファイルはひどく破損しており、それを読み取るのに2年かかりました。いくつかの重要なログブック（別の退職したミッションコントロール担当者の記念品で見つかった）を見つけるのにさらに時間がかかりました。パイオニアからのドップラーデータを受信するアンテナの位置が、30年間の地震によってどのように移動したかを説明するのにさらに時間がかかりました。データの実際の分析はようやく1年前に始まり、トスとトゥリシェフは約6か月以内に結果を発表する予定です。

私は、ちょっと見せてほしいと頼んだ。「一定加速度という考えは有効なモデルではあるが、ある程度の減衰があると仮定すれば、あるいはそれ以上に有効であることがわかってきた。つまり、加速度は時間とともにわずかに減衰するのだ」とトス氏は語った。さらに、彼とトゥリシェフ氏は、異常な加速度がどの方向を向いているのかという問題に再び取り組んでいると私に語った。これまで常に想定されてきたように、結局は太陽方向ではないかもしれない。そして、太陽方向ではない加速度は、重力以外の原因を示唆する。「私たちの結果は非常に示唆に富んでいるが、これ以上のことは、完全に終わるまで言いたくない。パイオニア異常に関心を持つ物理学者のコミュニティがあり、私はこの異常がいかにひどく敏感になり得るかをかなり認識している」

数十年にわたって考え、議論し、希望を持ち、そしてトゥリシェフの言葉を借りれば「それでキャリアを築いてきた」科学者たちのパイオニア異常への関心は、当然ながら心理的な重荷を蓄積してきた。彼らの多くにとって、客観的な科学的探究の核心に感情的な投資の雲がまとわりついている。そして雲は物事を見えにくくする。

「パイオニアの異常は宇宙船だけによって引き起こされたのでしょうか？ それをただ発表すると、さまざまな感情が湧き起こります」とテレメトリ データを救出したエンジニアのラリー ケロッグは語った。「だからこそ、ビクトルとスラバは今、発言に非常に慎重になっています。彼らが『宇宙船が熱くなり、後退していただけだったことを疑いの余地なく証明した』と言うようになったら、これまで何かを言ったことのある人は皆、何か違うことを言うに違いありません。」

「これまで何か発言したことがある人々」の仲間入りを果たしたニエト氏にとって、これは事実だろう。「私は彼らの仕事を奨励するが、その結果については懐疑的だ。もちろん、彼らも完全に確信しているわけではない。私たちは永遠に議論を交わし続けることになるかもしれない」と彼は語った。

他の物理学者たちはもっと攻撃的だ。「熱？それは単純に正しい説明ではない。彼らは間違っている」とワシントンの独立研究者で、パイオニア異常の値が c 倍の H に等しいことが重要な膨張時空モデルを支持するヨハン・マスレリエスはコメントした。「しかし、それは私の偏見だ」と彼は付け加えた。

4月に、トゥリシェフとトスは、Arxiv.orgで165ページに及ぶ包括的なレビュー記事を発表しました。タイトルはシンプルに「パイオニアの異常」で、近日点通過の異常な歳差運動です。これは、60年後にアインシュタインの一般相対性理論と当時の物理学の終焉へと花開いた種です。もう1つは、異常な天体運動に関するあまり知られていない話です。19世紀初頭、天文学者たちは、遠い惑星である天王星の軌道が奇妙であることに気付きました。ニュートンの重力によって定められた軌道から外れていたのです。「一部の著名な天文学者は、太陽から遠く離れるとニュートンの法則が崩れるのではないかと示唆した」とトスとトゥリシェフは書いています。こうした憶測は 1846 年まで続き、その時点で、天王星の軌道をまさに摂動させるのに必要な場所に別の遠方の惑星が発見されました。その惑星とは海王星であり、「ニュートンの法則は安全」でした。

トゥリシェフとトースの成果が新しい惑星のように確固たるものになることは到底望めないが、事情を聞く限り、彼ら自身は異常現象の原因が熱であること、そしてニュートンの法則が神聖であることを確信している。「これだけは言っておこう」とトゥリシェフは、私が分析の詳細を懇願すると言った。「我々が知っている物理学はうまく機能した」

注: 何人かの読者が指摘したように、今週は別の記事でボイジャー 1 号が太陽系を離れた最初の宇宙船であると報じましたが、この記事ではパイオニア 10 号にその栄誉を与えています。明確に言うと、ここでは「太陽系を離れる」という定義が 2 つあります。パイオニア 10 号は 1983 年に冥王星の軌道を通過したため、その意味では太陽系を離れました。ボイジャーはパイオニアより後に打ち上げられましたが、移動速度が速く、1990 年代にパイオニアを追い越しました。ボイジャー 1 号は太陽系のもう 1 つの境界である太陽圏の端に到達したばかりです。