Pioneer 10: ο πρωτοπόρος

Η αποστολή του Pioneer 10 ήταν μια από τις μεγαλύτερες τομές στην εξερεύνηση του διαστήματος. Εκτοξεύτηκε για να περάσει το ηλιακό μας σύστημα και τελικά να κατευθυνθεί προς το διαστρικό κενό, φέρνοντας νέες γνώσεις για την ύπαρξη της ζώνης των αστεροειδών, την ατμόσφαιρα του Δία και την έννοια της βαρυτικής ώθησης.

Εκτοξεύθηκε στις 2 Μαρτίου 1972, στο Cape Canaveral στη Φλόριντα. Η μάζα του ήταν περίπου 258 kg (συμπεριλαμβανομένου καυσίμου και οργάνων). Ο πρώτος στόχος ήταν να διασχίσει τη ζώνη των αστεροειδών, έπειτα να φτάσει στον Δία, να πάρει βαρυτική ώθηση και να εξέλθει από το πλανητικό μας σύστημα.

Η πλησιέστερη προσέγγιση στον Δία έγινε στις 4 Δεκεμβρίου 1973, περίπου 132.000 km πάνω από τα σύννεφα του πλανήτη. Δηλαδή σε απόσταση, το 1/3 της απόστασης Γης-Σελήνης. Στην κλίμακα του Ηλιακού Συστήματος είναι πολύ κοντά στον Δία: το Pioneer πετούσε λίγο πάνω από τα ανώτερα σύννεφα του πλανήτη. Το ορατό μέγεθος του Δία λοιπόν από την οπτική του διαστημοπλοίου υπολογίζεται:

Η διάμετρος του Δία είναι περίπου 139.820 km.

Γωνιακή διάμετρος θ υπολογίζεται από τον τύπο:

θ = 2arctan(R/d)

όπου R = 69.910 km (η ακτίνα του Δία) και d= 132.000 km (η απόσταση του pioneer 10).

Άρα, ο Δίας κάλυπτε περίπου 55° στον ορίζοντα του σκάφους – τεράστιος! Οπτικά, δεν ήταν ολόκληρος στον ορίζοντα όπως ο ήλιος στον ουρανό μας (~0,5°), αλλά το σκάφος τον έβλεπε σαν τεράστιο αντικείμενο στον ουρανό, σχεδόν το μισό ορατό ορίζοντα!

Πέρασε την τροχιά του Ποσειδώνα στις 13 Ιουνίου 1983. Αν αναρωτιέστε γιατί δεν βάζω του Πλούτωνα, είναι διότι οι τροχιές τους αλληλοκαλύπτονται. Τη χρονιά εκείνη λοιπόν ο Ποσειδώνας είχε μακρύτερη τροχιά από τον Πλούτωνα, και έπαιζε αυτός το ρόλο του πιο απομακρυσμένου πλανήτη από τον Ήλιο μας.

Τελευταίο αξιόπιστο σήμα που λάβαμε από το pioneer 10 ήταν στις 23 Ιανουαρίου 2003.

Η αποστολή έφερε τις πρώτες κοντινές φωτογραφίες του Δία και έδωσε πληροφορίες για το μαγνητικό πεδίο και τα ραδιοκύματα του πλανήτη. Το Pioneer 10 έκανε πλησιέστερη προσέγγιση κοντά στον ισημερινό του Δία, για να εκμεταλλευτεί την μέγιστη δυνατή βαρυτική ώθηση. Δεν πέρασε από τους πόλους, γιατί αυτό θα έδινε λιγότερη ταχύτητα διαφυγής και μεγαλύτερη πιο πολύπλοκη τροχιά.

Το Pioneer 10 είναι εξοπλισμένο με μια ραδιενεργή θερμοηλεκτρική γεννήτρια (RTG) που παρείχε σταθερή ισχύ για δεκαετίες, βασισμένη στη διάσπαση του πλουτωνίου-238. Τα όργανα μέτρησης είναι: μαγνητόμετρα, ανιχνευτές κοσμικής ακτινοβολίας, ανιχνευτές σωματιδίων, ραδιοτηλεμετρία για θέσεις και ταχύτητα. Η τελική ταχύτητα διαφυγής της βαρυτικής έλξης του ήλιου ήταν περίπου 12 km/s, η οποία επετεύχθη μετά το fly-by από το Δία. Διασχίζει λοιπόν κάθε δευτερόλεπτο την απόσταση Σύνταγμα - Μεταμόρφωση... Και όπως θα δούμε σε άλλο άρθρο, δεν είναι και τόσο υψηλή αναλογικά με άλλα σώματα που έχουμε στείλει στο διάστημα.

Μετά την προσέγγιση στο Δία, το Pioneer 10 εκμεταλλεύτηκε το φαινόμενο της βαρυτικής ώθησης (gravity assist) για να αποκτήσει ταχύτητα διαφυγής από το Ηλιακό Σύστημα. Η ταχύτητα διαφυγής από έναν σώμα με μάζα m δίνεται από τον τύπο:

v = (2GM/r)^(1/2)

όπου G η σταθερά της βαρύτητας, M η μάζα του Ήλιου και r η απόσταση από το κέντρο του ηλιακού συστήματος.

Η τροχιά του Pioneer 10 έγινε υπερβολική, με απόκλιση λίγων μοιρών από το επίπεδο της εκλειπτικής, περίπου 3–5°, πράγμα που σημαίνει ότι το σκάφος δεν θα επιστρέψει ποτέ στον Ήλιο και στον πλανήτη μας.

Το Ηλιακό Σύστημα κινείται γύρω από τον γαλαξία με ταχύτητα περίπου 230 km/s: δηλαδή κάθε δευτερόλεπτο της ζωής μας, ολόκληρο το πλανητικό μας σύστημα μετακινείται προς το solar apex - αστερισμοί Λύρας/Ηρακλή - όσο είναι η απόσταση Αθήνα - Καλαμάτα. Το Pioneer 10 κινείται προς τον αστερισμό Ταύρου, απομακρυνόμενο συνεχώς από τον Ήλιο.

Η ηλιόσφαιρα εκτείνεται μέχρι 120–150 AU (1 AU = απόσταση Γης–Ήλιου - αστρονομική μονάδα). Το σκάφος πλησιάζει σιγά-σιγά το όριο (ηλιοπαυση), αλλά δεν υπάρχει ακριβής μέτρηση εξόδου στο διαστρικό κενό. Αναμένεται να φτάσει εκεί μέσα στα επόμενα 15-20 χρόνια, δηλαδή περίπου το 2040-2045.

Δε θα μπορούσε να κυλήσουν όλα ομαλά. Έτσι παρατηρήθηκε και η Ανωμαλία Pioneer: μια μικρή, σταθερή επιβράδυνση 8,74•10^(-10) m/sec^2 (έχανε λοιπόν ταχύτητα κατά 8.74 δεκάκις δισεκατομμυριοστα του μέτρου ανά δευτερόλεπτο) στην πορεία του σκάφους. Αρχικά θεωρήθηκε μυστηριώδης, με υποθέσεις για εξωτικές φυσικές δυνάμεις ή βαρυτικά σφάλματα. Τελικά, η κύρια αιτία αναγνωρίστηκε ως η μη ισοτροπική εκπομπή θερμότητας από τα RTG και τα όργανα, που προκαλεί μικρή πίεση ακτινοβολίας και συνεπώς επιβράδυνση.

Και πάμε στο υπόλοιπο ζουμί της υπόθεσης:

Στο σκάφος υπήρχε μια Χρυσή Πλάκα με ένα μήνυμα σε πιθανά εξωγήινα νοήμονα όντα, με διαγράμματα ανθρωπίνων μορφών, σημαντικές κοσμολογικές και πλανητικές πληροφορίες, καθώς και ραδιομετρικές οδηγίες για το πώς να επικοινωνήσουν μαζί μας.

Η πλάκα είναι μια συμβολική κίνηση «μηνύματος στο διάστημα», μια ανθρωπολογική και επιστημονική κληρονομιά. Σαν ένα μπουκάλι με ένα μήνυμα που αφήναμε σαν ανθρωπότητα παλιά στον ωκεανό.

Η ιδέα και η εκτέλεση της χρυσής πλάκας ανήκουν στον Carl Sagan και την ομάδα του στο Cornell University, με βασικό συνεργάτη τον Frank Drake, τον δημιουργό της γνωστής εξίσωσης για την εκτίμηση εξωγήινης ζωής. Η πλάκα σχεδιάστηκε στα έτη 1970-'71 για να συνοδεύει τα Pioneer 10 και 11.

Έχει διαστάσεις 228 × 152 mm (περίπου 23 × 15 cm) και πάχος ~1.27 mm. Είναι από αλουμίνιο επιχρυσωμένη για να αντέχει στο διάστημα, σε συνδυασμό με προστατευτικό υλικό πλαστικού για μικρομετεωρίτες και ακτινοβολία. Έτσι έχει μακροχρόνια αντοχή, θα μπορούσε να επιβιώσει εκατομμύρια χρόνια στο διαστρικό κενό.

Τι δείχνει η πλάκα αναλυτικά:

1. Ανθρώπινες μορφές

Δύο φιγούρες ανθρώπων: ένας άνδρας και μία γυναίκα. Ο άνδρας έχει το δεξί χέρι υψωμένο σε χαιρετισμό, υποδηλώνοντας φιλική πρόθεση. Η κλίμακα μεγέθους αναφέρεται σε σχέση με το μήκος κύματος ενός ατόμου υδρογόνου.

2. Σύμβολο ατόμου υδρογόνου

Δύο διαγράμματα που δείχνουν την μετάβαση του ηλεκτρονίου στο υδρογόνο (21 cm μήκος κύματος) χρησιμοποιείται ως «μονάδα μέτρησης». Από αυτό υπολογίζονται οι διαστάσεις και οι αποστάσεις των ανθρώπων και του διαστήματος.

3. Ηλιακό Σύστημα

Γραφική αναπαράσταση με τον Ήλιο και τους πλανήτες. Δείχνει ότι το Pioneer προήλθε από τον 3ο πλανήτη, τη Γη. Οι τροχιές των πλανητών αποτυπώνονται με λογαριθμική κλίμακα για να είναι ορατές.

4. Πίνακας θέσης της Γης στο γαλαξία

14 παλμοί ραδιοεκπομπών από αστέρες pulsars με τις αποστάσεις τους σε σχέση με τον Ήλιο. Έτσι δείχνουμε σε ποιο σημείο του Γαλαξία βρίσκεται η Γη όταν ξεκίνησε το σκάφος. Τα pulsars που εμφανίζονται είναι αυτά που ήταν γνωστά και καλά μετρημένα έως το 1972:

1. PSR CP 1919 (ή PSR B1919+21) – το πρώτο ανακαλυφθέν pulsar (1967)

2. PSR B0329+54

3. PSR B0355+54

4. PSR B0531+21 (Crab pulsar)

5. PSR B0833−45 (Vela pulsar)

6. PSR B1509−58

7. PSR B1642−03

8. PSR B1706−44

9. PSR B1749−28

10. PSR B1815−14

11. PSR B1915+13

12. PSR B1937+21

13. PSR B1952+29

14. PSR B2016+28

Κάθε pulsar σχεδιάζεται ως γραμμή που δείχνει την κατεύθυνση από τον Ήλιο προς το pulsar, με μήκος γραμμής ανάλογο με την λογαριθμική απόσταση και σημειωμένο τον παλμό σε Hz, ώστε να μπορούν να υπολογίσουν οι εξωγήινοι πού βρίσκεται το Ηλιακό Σύστημα και πότε φτιάχτηκε η πλάκα.

5. Διάγραμμα τροχιάς Pioneer

Δείχνει την πορεία από τη Γη προς τον Δία και τελικά έξοδο προς το διαστρικό διάστημα.

Η πλάκα δεν είναι απλώς καλλιτεχνική: Προορίζεται ως μήνυμα φιλίας και πληροφορίας. Λειτουργεί ως «χρονοκάψουλα» της ανθρωπότητας, αν και η πιθανότητα να συναντήσει κάποιον δέκτη είναι εξαιρετικά μικρή.

Από όλη την αποστολή είχαμε αρκετά αποτελέσματα:

• Πρώτη άμεση παρατήρηση της ζώνης των αστεροειδών και επιβεβαίωση ότι η ζώνη δεν είναι επικίνδυνα πυκνή για πλοία.

• Οι πρώτες κοντινές φωτογραφίες του Δία, αποκάλυψαν λεπτομέρειες σύννεφων, θύελλες και μαγνητικού πεδίου.

• Πρώτες μετρήσεις στο διαστρικό χώρο: κοσμικής ακτινοβολίας, μαγνητικού πεδίου και ηλιακού ανέμου πέρα από τον Ποσειδώνα.

Το Pioneer 10 κινείται πλέον προς τον αστερισμό Ταύρου, προς το αστρικό σύστημα Aldebaran (~65–68 έτη φωτός). Τα αστέρια που θα συναντήσει στο ταξίδι του με τη σειρά που έχουμε υπολογίσει:

1. Gliese 445 (Wolf 424) – πλησιέστερο πέρασμα σε απόσταση περίπου 0,8–1 έτος φωτός από την πορεία του Pioneer, σε περίπου 40.000 χρόνια.

2. HIP 117795 – πιο κοντινό πέρασμα (~0,75 έτη φωτός) σε 90.000 χρόνια. Αυτό σημαίνει ότι από σήμερα, σε 90.000 χρόνια το Pioneer θα περάσει το HIP 117795 πιο κοντά από οποιοδήποτε άλλο αστέρι.

3. Το επόμενο «κοντινότερο πέρασμα» μετά τα 90.000 χρόνια είναι σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα, 1,2 εκατομμύρια χρόνια για το αστέρι Kapteyn’s Star.

4. Τέλος θα φτάσει στο αστέρι Aldebaran μετά από περίπου 2 εκατομμύρια χρόνια.

Ό,τι απομακρύνεται λοιπόν δεν χάνεται απαραίτητα, απλώς περνά σε άλλη κλίμακα χρόνου. Εκεί όπου η σιωπή μετριέται σε έτη φωτός και η μνήμη γίνεται τελικά τροχιά κουβαλώντας την για πάντα μέσα του, να την δει κάποιος κάπου κάποτε, αν την ξεκλειδώσει.