Raadsels rond scheervluchten langs de aarde

 

HayabusaOp 3 december 2015 scheerde de Japanse planetoïdenverkenner Hayabusa 2 langs de aarde om een duwtje in de richting van zijn reisbestemming te krijgen, de planetoïde 1999 JU3. Grondstations meten dan nauwkeurig met hoeveel de snelheid van de sonde toe zal nemen. Deze metingen helpen misschien bij het oplossen van een raadsel dat al een kwart eeuw bestaat: de onverklaarde afwijkingen in de snelheid van ruimtesondes die de aarde op korte afstand zijn gepasseerd.

In december scheert Hayabusa 2 langs de aarde, om een zwieper in de richting van ‘zijn’

planeto.de te krijgen. Zal de gemeten snelheidstoename afwijken van de berekende? (illustratie:

JAXA)


Vele ruimtesondes vliegen een of twee jaar na hun lancering nog een keer langs de aarde. Zo’n scheervlucht (flyby) geeft een ruimtesonde dankzij de zwaartekracht van de aarde of een andere planeet extra energie, zodat in sommige gevallen de reistijd naar de bestemming verkort wordt. Flyby’s komen ook van pas als de lanceerraket niet krachtig genoeg is om de sonde zonder de hulp van de zwaartekracht van een of meerdere planeten zijn eindbestemming te laten bereiken.


In maart 2008 wees de Amerikaanse onderzoeker John Anderson echter in een artikel in de Physical Review Letters op een vreemd effect dat soms tijdens zo’n scheervlucht optreedt. Hij had alle flyby’s in de periode van 1990 tot 2005 bestudeerd. Van tevoren kan nauwkeurig worden berekend hoeveel de snelheid van een sonde zal toenemen, maar de metingen bleken daarmee niet altijd overeen te komen. En wat nog vreemder was: de gemeten snelheidstoename was soms groter dan berekend, soms kleiner en soms vrijwel gelijk aan de berekende toename.

Hayabusa002

Bij de planeto.denverkenner NEAR, die in januari 1998 langs de aarde scheerde, werd het

grootste verschil tussen de berekende en gemeten snelheid gevonden. (illustratie: NASA)

Afwijkingen in soorten en maten
De mysterieuze afwijkingen zijn overigens heel gering. Zo bleek de Amerikaanse Jupiterverkenner Galileo na zijn scheervlucht langs de aarde in december 1990 slechts 3,9 millimeter per seconde sneller te bewegen dan berekend. Maar toen hij in december 1992 op nieuw langs de aarde was gekomen, bleek zijn snelheidstoename 4,6 millimeter per seconde te klein.
De grootste afwijking, 13,5 millimeter per seconde meer dan berekend, werd gemeten nadat NASA’s planetoïdenverkenner NEAR in januari 1998 langs de aarde scheerde. Daarentegen waren de afwijkingen van NASA’s Saturnussonde Cassini (minus 2 mm/s in augustus 1999) en de Mercuriussonde Messenger (plus 0,02 mm/s in augustus 2005) zo gering dat ze binnen de meetfouten vallen. De Europese komeetverkenner Rosetta opmaakte drie scheervluchten langs de aarde, in maart 2005, november 2007 en november 2009. Na de eerste passage vloog hij 1,8 millimeter per seconde te snel, maar na de tweede en derde scheervlucht werden geen afwijkingen gevonden. De NASA-sonde Juno, die volgend jaar juli bij Jupiter arriveert, vloog in oktober 2013 op een afstand van bijna 600 kilometer langs de aarde. Hoewel de resultaten daarvan nog niet officieel door de NASA zijn gepubliceerd, zou alles erop wijzen dat de snelheid na de passage afwijkt van de verwachtingen.

Hayabusa003Raadsels en theorieën
Het is een raadsel hoe deze afwijkingen ontstaan en waarom ze soms wel en soms niet optreden. Ze hebben geen grote invloed op de koers van een ruimtesonde, maar het is wel belangrijk om de oorzaak te vinden. In een tijd waarin de snelheid van een ruimtevaartuig via de dopplerverschuiving van zijn radiosignalen tot op een fractie van een millimeter kan worden gemeten, zijn zulke afwijkingen – wetenschappelijk gezien - onverteerbaar. Vele onderzoekers hebben naar mogelijke oorzaken van deze flyby-anomalie gezocht. Conventionele verklaringen zijn bijvoorbeeld de invloed van de straling van de zon die een minieme impuls op de ruimtesonde overdraagt, of de getijdenkrachten van zon, maan en aarde. Misschien speelt de weerstand van de hoogste lagen van de aardatmosfeer een rol, of de infraroodstraling die de aarde uitzendt of weerkaatst. En misschien heeft het magnetische veld van de aarde wel invloed op de beweging van een ruimtesonde.
Sommigen zoeken de oorzaak in onconventionele theorieën. Zoals het effect van een wolk van donkere materie of de invloed van donkere energie op het gravitatieveld van de aarde. Anderen denken aan een nog niet ontdekt effect van de algemene relativiteitstheorie, een van de meest fundamentele theorieën in de moderne fysica.
Ook is gesuggereerd dat de aswenteling van de aarde de oorzaak zou kunnen zijn. Volgens de algemene relativiteitstheorie sleept de rotatie de ruimtetijd rond onze planeet een heel klein beetje mee. Deze frame dragging werd in 2004 voor het eerst gemeten door de Gravity Probe B-satelliet. Maar de Spaanse wetenschapper Louis Acedo liet in augustus 2014 in het tijdschrift Advances in Space Research zien dat dit effect veel te klein is om met één scheervlucht langs de aarde te kunnen meten.
Voordat exotische verklaringen in aanmerking komen, moeten natuurlijk eerst alle meer voor de hand liggende oorzaken worden geanalyseerd. Ook dat hebben onderzoekers van ESA en NASA in de afgelopen jaren gedaan. Het ging daarbij om bijvoorbeeld fouten of verschillen in computersoftware, rekenfouten en verschillen tussen coördinatensystemen en modellen van het gravitatieveld van de aarde. Alle min of meer bekende oorzaken werden systematisch nagelopen en in de berekeningen verwerkt maar zij konden gezamenlijk de mysterieuze snelheidsverschillen niet eenduidig verklaren.
Verder is onduidelijk waarom dit merkwaardige effect nog niet bij scheervluchten langs andere planeten is gemeten.



Hayabusa004Een eerdere anomalie

De mysterieuze flyby-anomalie doet denken aan een andere anomalie, in de snelheid van de twee identieke NASA- sondes Pioneer 10 en 11. Zij waren de eerste sondes die langs Jupiter en Saturnus vlogen. In de jaren tachtig werd ontdekt dat op beide een ‘afremmende’ kracht werkt. Talloze onderzoekers probeerden de oorzaak van deze ‘Pioneer- anomalie’ te vinden, maar pas vier jaar geleden werd de oorzaak achterhaald: de warmtestraling van de sondes zelf. Die straling werd aan de achterzijde De Gravity Probe B mat in 2004 voor het eerst het verschijnsel dat de ruimtetijd rond de aarde door de aswenteling van onze planeet wordt meegesleept. Deze frame dragging is echter veel te klein om het raadsel van de flyby-anomalie te verklaren. (illustratie: NASA) van hun grote radioschotel gereflecteerd. De achterkant van deze schotel was altijd van de aarde af gericht. Daardoor geeft de gereflecteerde straling de sondes een lichte duw in de richting van de aarde, wat resulteert in een geringe afremming van de Pioneers.
Toekomstige satellieten zullen misschien het flyby-mysterie helpen oplossen. Bijvoorbeeld door het verfijnen van de modellen van het gravitatieveld van de aarde. Zo staat voor 2017 de lancering gepland van de GRACE Follow-On. Die bestaat uit twee satellieten die het gravitatieveld van de aarde in kaart gaan brengen. Het duo is de opvolger van de in 2012 gelanceerde en zeer succesvol gebleken GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment).
Verder staat voor 2024 de lancering gepland van de Space-Time Explorer and Quantum Equivalent Principle Space Test, kortweg STE-QUEST. Deze satelliet is bedoeld voor het testen van de finesses van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Deze satelliet gaat in een heel langgerekte baan met een omlooptijd van 16 uur om de aarde draaien. Het baanvlak ligt in het vlak van de aardbaan, zodat de satelliet als het ware om de 16 uur een scheervlucht langs de aarde maakt.
Maar voor het zover is, komt Hayabusa 2 langs de aarde. Zal zijn radiosignaal ook de flyby-anomalie vertonen? En zo ja, zal die positief of negatief zijn? Mocht er geen afwijking worden gemeten, dan is het wachten tot januari 2019, als de twee jaar daarvoor vertrokken Mercuriusverkenner BepiColombo langs de aarde scheert.

 

Weersverwachting

Foto van de dag

Tweets over sterrenkunde

Contact

Stip Media

Louise de Colignystraat 15 

1814 JA Alkmaar

+3172 531 49 78

info@zenitonline.nl