[论文解读] A Conventional Physics Explanation for the Anomalous Acceleration of Pioneer 10/11

Louis K. Scheffer|ArXiv.org|Aug 22, 2001

Astro and Planetary Science被引用 5

一句话总结

本文提出，先驱者10号和11号探测器观测到的异常加速度是由于机载热源（包括RTG、RHU、电气系统和馈电辐射）产生的非球面对称热辐射所致，模型考虑了随时间变化的功率输出和辐射方向性。该模型对观测到的加速度趋势拟合得较为合理，但将第I和第III区间之间加速度下降9%的幅度高估了9%，表明经典物理很可能已能解释该效应的绝大部分。

ABSTRACT

Anderson, et al., find the measured trajectories of Pioneer 10 and 11 spacecraft deviate from the trajectories computed from known forces acting on them. This unmodelled acceleration can be accounted for by non-isotropic radiation of spacecraft heat. Various forms of non-isotropic radiation were proposed by Katz, Murphy, and Scheffer, but Anderson, et al. felt that none of these could explain the observed effect. This paper calculates the known effects in more detail and considers new sources of radiation, all based on spacecraft construction. These effects are then modelled over the duration of the experiment. The model provides a reasonable fit to the acceleration from its appearance at a heliocentric distance of 5 AU to the last measurement at 71 AU, but overpredicts by 9% the decrease in acceleration between intervals I and III of the Pioneer 10 observations. (For comparison, the two different measurements of the effect (SIGMA and CHASMP) themselves differ by 4% in interval III.) In any case, by accounting for the bulk of the acceleration, the proposed mechanism makes it much more likely that the entire effect can be explained without the need for new physics.

研究动机与目标

• 使用经典物理，特别是航天器系统产生的非球面对称热辐射，解释先驱者10号和11号的异常加速度。
• 解决轨迹偏差观测值与已知引力作用预测值之间的差异。
• 检验是否被忽略的热辐射效应——尤其是来自RTG、RHU和馈电辐射——可解释观测到的加速度。
• 通过引入随时间变化的功率输出和辐射方向性，改进先前的模型。
• 评估剩余差异是否可归因于建模误差或未考虑的系统性因素。

提出的方法

• 对四种主要热源的热辐射进行建模：RTG热辐射（直接与反射）、RHU、电气系统耗散功率（BUS）以及未照射到天线的馈电辐射。
• 结合放射性同位素电源的随时间衰减特性，以及基于航天器姿态和几何结构的热辐射模式变化。
• 采用辐射推力模型，其中有效推力为朝太阳反方向辐射总功率的一个分数，各热源的系数分别调整。
• 应用微分方程计算加速度：$ a(t) = \frac{1}{c \cdot m} \left[ \epsilon_{RHU} \cdot RHU(t) + \epsilon_{RTG} \cdot RTG(t) + \epsilon_{FEED} \cdot RADIO(t) + \epsilon_{BUS} \cdot BUS(t) - K_{SOLAR} \cdot SOLAR(t) \right] $，其中 $ c $ 为光速，$ m $ 为航天器质量。
• 将模型拟合至1987年至1998年先驱者10号的数据，将数据划分为三个区间（I、II、III），并与SIGMA和CHASMP轨道解进行比较。
• 采用五参数拟合，效率参数为 $ \epsilon_{RHU}=0.5 $，$ \epsilon_{RTG}=0.0108 $，$ \epsilon_{FEED}=0.1 $，$ \epsilon_{BUS}=0.35 $，$ K_{SOLAR}=0.3 $，以匹配观测到的加速度趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 已知航天器系统产生的非球面对称热辐射能否解释先驱者10号和11号的异常加速度？
• RQ2 热功率输出的时间变化特性及辐射方向性是否能解释从5 AU到71 AU之间加速度的产生与演化？
• RQ3 为何观测到的加速度在第I和第III区间之间仅下降3%，而模型预测下降9%？
• RQ4 模型预测与数据之间的差异是否可归因于统计不确定性或建模局限性，而非新物理？
• RQ5 热辐射效应在多大程度上解释了先驱者10号和11号加速度的相似性？为何该效应对自转速率影响甚微？

主要发现

• 该模型在5 AU至71 AU范围内对异常加速度的拟合效果合理，与观测到的加速度大小和起始时间趋势一致。
• 模型预测从第I区间到第III区间推力下降11.8%，而实际观测数据仅显示3%的下降，导致9%的高估。
• 若将SIGMA与CHASMP测量值之间的差异视为统计不确定性，则9%的差异对应约2.25个标准差，使模型完全正确的可能性降至约2%。
• 该模型仅通过经典物理即可解释异常加速度的绝大部分，因此极有可能无需引入新物理。
• 该模型解释了为何先驱者10号和11号表现出相似但不完全相同的加速度，以及为何该效应对航天器自转速率影响甚微，原因在于热辐射力矩具有对称性。
• 通过引入仪器舱与主舱室热耗散的独立效率参数，可获得更优的拟合（1.75个标准差），但会增加模型复杂度，且需要更详细的功率耗散数据。