Eine Story, die ich vor drei Jahren geschrieben habe, ist derzeit wieder besonders aktuell. Die Vermessung der Bahnkurven der Raumsonden Galileo, Cassini, Near, Rosetta und Messenger bei ihren Swingby-Manövern an der Erde zeigten eine zusätzliche Beschleunigung der Sonden, die mit den heutigen Theorien nicht übereinstimmt.

Die Beschleunigung ist im Verhältnis zur Gesamtgeschwindigkeit gering. Aber sie ist deutlich nachweisbar. Die NASA-Wissenschaftler stellten fest, dass die Zusatz-Beschleunigung umso stärker ausfiel, je asymmetrischer die Bahn der Sonde in Bezug auf den Erdäquator war.  >>digg it!

Prolog

Die Raumsonde NEAR beispielsweise näherte sich der Erde von schräg oben, hatte ihren erdnächsten Punkt etwa auf dem 45. nördlichen Breitengrad und entfernte sich dann wieder. Bei Near fiel der Geschwindigkeitsüberschuss besonders groß aus, er betrug 13 Millimeter pro Sekunde. Das war wesentlich größer als die Messgenauigkeit von 0,1 Millimeter pro Sekunde.

Dass irgendetwas mit den Formeln nicht stimmen kann, hatte schon die Bahn der Raumsonde Pioneer vermuten lassen. Auf ihrem Weg in den interstellaren Raum bewegte sich die Sonde schneller, als es die heute bekannte Physik erwarten ließ. Eine Erklärung dafür steht nach wie vor aus. Erneut - wie schon zuvor bei Pioneer - berechneten die Wissenschaftler den Einfluss von zahlreichen physikalischen Phänomenen, von den Gezeiten bis hin zum Sonnenwind. Vergeblich: Nicht einmal die Allgemeine Relativitätstheorie, die eine Beschleunigung durch die von der Erdrotation mit gewirbelter Raumzeit ("Lense-Thirring-Effekt") vorhersagt, konnte den Effekt erklären. Die Forscher fanden auch keine Fehlerquelle, die eine systematische Verzerrung der Ergebnisse hätte verursachen können.

Weitere Messungen wird man jetzt beim nächsten Vorbeiflug der Raumsonde Rosetta an der Erde am 13. November kommenden Jahres anstellen. Dann könnte sich erneut der Verdacht bestätigen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie nicht der Weisheit letzter Schluss ist.

Die Pioneer-Anomalie

In den Abendstunden des 2. März 1972 startete die Raumsonde Pioneer 10 an der Spitze einer Atlas Centaur-Trägerrakete zu einer Reise, wie sie bis dahin noch nie zuvor unternommen worden war. Ohne erst eine Erdparkbahn anzusteuern nahm das Raumfahrzeug direkten Kurs ins äußere Sonnensystem. Der angetriebene Flug dauerte 17 Minuten, dann war die Rekordgeschwindigkeit von 51.700 Kilometern pro Stunde erreicht und Pioneer 10 auf dem Weg zum Jupiter.

Elf Stunden nach dem Liftoff in Cap Canaveral überquerte die Sonde die Mondbahn, zwölf Wochen danach die Bahn des Planeten Mars.

Der Auftrag von Pioneer 10: Erste Durchquerung des Asteroidengürtels. Erste Naherkundung des Planeten Jupiter und seiner großen Monde. Erforschung des interplanetaren Mediums im Bereich der äußeren Planeten.

Der 270 kg schwere Pioneer hatte neben der Kommunikationsausrüstung noch 14 Messinstrumente an Bord. Die Stromversorgung erfolgte über Isotopenbatterien. Sie wandeln die Zerfallswärme von radioaktivem Plutonium 238 in elektrischen Strom um. Eine Energieerzeugung durch Solargeneratoren war wegen der zu großen Entfernung von der Sonne nicht möglich.

Die Mission beginnt

 Zum Zeitpunkt des Starts waren die Experten unterschiedlicher Meinung über die Frage der Häufigkeit von Klein- und Mikrometeoriten im Asteroidengürtel. Nicht wenige Wissenschaftler schätzten die Chancen nicht besser als 50:50 ein, die Sonde unbeschadet durch die kosmische Geröllhalde zwischen Mars und Jupiter zu bringen.

Die NASA selbst war optimistischer und rechnete nur mit einer Wahrscheinlichkeit von zehn Prozent für einen Verlust ihres Raumfahrzeugs aufgrund eines Zusammenstoßes mit einem Kleinasteroiden. Die Planung weiterer Missionen zu den äußeren Planeten, speziell die der Voyager-Sonden, hing von den Ergebnissen der Pioneer-Mission ab.

Nachdem das Missionsrisiko als erheblich eingestuft worden war, beschloss die NASA frühzeitig, eine Doppelmission mit zwei Raumsonden durchzuführen. Pioneer 10 erhielt eine baugleichen Schwester: Pioneer 11.

Mitte Juli 1972 erreichte Pioneer 10 die inneren Ausläufer des Asteroidengürtels. Anfang September bewegte sich das Raumfahrzeug im Zentrum der Gefahrenzone, und im Februar 1973 verließ der kleine Weltraumspäher 550 Millionen Kilometer von der Erde entfernt wieder das Reich der Asteroiden. Die Messinstrumente an Bord der Sonde hatten ermittelt, dass die Mikroasteroidendichte zwar dreimal so hoch war wie im Raum zwischen Erde und Mars, das Risiko eines Zusammenstoßes mit einem solchen Objekt wurde aber dennoch als gering eingeschätzt.

Nachdem diese Hürde überwunden und das Problem zur Zufriedenheit der Projektwissenschaftler gelöst war, schickte die NASA am 5. April 1973 auch Pioneer 11 auf die Reise.

Jupiter und Saturn

Im Herbst 1973 befand sich Pioneer 10 im Anflug auf Jupiter. Am 8. November überquerte die Raumsonde die Bahn des Mondes Sinope, der seine Kreise 23,7 Millionen Kilometer vom Riesenplaneten entfernt zieht. Am 3. Dezember passierte Pioneer schließlich den Gasgiganten in einem Abstand von nur 200.000 Kilometern. Etwa 400 Fotos von Jupiter und den großen Monden sandte das Raumfahrzeug zur Erde, sensationelle Bilder in der damaligen Zeit.

Die ungeheure Schwerkraft des Planeten lenkte die Bahn von Pioneer 10 fast im rechten Winkel um. Das Raumfahrzeug verblieb aber in der Ekliptik, der Bahnebene der Planeten.

Pioneer 11 erreichte den Jupiter am 2. Dezember1974 und flog noch näher an Jupiter heran, bis auf 34.000 Kilometer. Die Missionskontroller hatten die Flugbahn so gelegt, dass das Raumfahrzeug  nach der Bahnumlenkung durch die Schwerkraft des Riesenplaneten in einem weitem, Bogen aus der Ekliptik hinausstieg und danach wieder hineinfiel, um schließlich den Saturn zu erreichen. Zeitweilig befand sich das Raumfahrtzeug 175 Millionen Kilometer über der Bahnebene der Planeten.

Die Flugbahn war so weit geschwungen und so langsam, dass Pioneer 11 den Ringplaneten erst am 1. September 1979 erreichte, nur noch ein gutes Jahr vor der Raumsonde Voyager 1, die aber viereinhalb Jahre später gestartet worden war. Doch war das noch früh genug, dass er auch hier seinem Namen Ehre machte: Pionier zu sein, der Erste.

Die Gravitationskraft des Ringplaneten bewirkte, dass die Bahn von Pioneer 11 erneut stark umgelenkt wurde, mit dem Ergebnis, dass sich nach Abschluss der Saturn-Passage die beiden Schwestersonden ziemlich genau in entgegen gesetzten Richtungen voneinander entfernten.

Die Pioneer-Anomalie

Beide Sonden waren nach Erfüllung ihrer primären Aufgaben noch in gutem Zustand und untersuchten auf ihrer weiteren Reise die Auswirkungen des abnehmenden Sonnenwindes, maßen die kosmische Strahlung und erkundeten die Mikrometeoritendichte im äußeren Planetensystem. Dabei entfernten sie sich in jedem Jahr um etwa 2,7 astronomische Einheiten von der Sonne.

Die Jahre gingen dahin. In Abständen von einigen Monaten meldete sich die Missionskontrolle bei den einsamen Pionieren, rief Daten ab und gab Kommandos durch. Es dauerte bis zum Jahre 1980, dass den Navigatoren bei Pioneer 10 eine leichte, aber stetige Geschwindigkeitsänderung auffiel. Eine geringe, aber deutlich messbare Kraft schien sie in Richtung Sonne zu ziehen.

Zu diesem Zeitpunkt war Pioneer 10 mehr als 20 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt, und die Verzögerung war denkbar gering. Sie betrug 8,74 x 10-8 cm/s2, also  0,000000000874 Meter pro Sekunde in jeder Sekunde. Die Abweichung hatte nicht früher festgestellt werden können, denn der Effekt war bis dahin im natürlichen Strahlungsdruck der Sonne untergegangen.

Auch jetzt wurde der Angelegenheit wenig Beachtung geschenkt. Man hielt es für einen Messfehler, oder ein unbedeutendes technisches Problem.

Die Projektingenieure wurden erst aufmerksam, als dasselbe Phänomen auch bei Pioneer 11 beobachtet wurde. Die Beschleunigung in Richtung Sonne war bei ihr genauso hoch wie bei Pioneer 10. Und so begannen die Wissenschaftler das seltsame Phänomen näher unter die Lupe zu nehmen. Intensive Analysen setzten ein.

Ursache unbekannt

Zunächst nahm man sich die Störfaktoren vor, die von den Sonden selbst stammen könnten. Man prüfte mögliche Ausgasungseffekte der Steuertriebwerke und kalkulierte die Daten der Brennimpulse der Lageregelungsmanöver durch. Die bei den drallstabilisierten Pioneer-Sonden relativ seltenen Triebwerksimpulse konnten leicht aus dem Gesamt-Effekt herausgerechnet werden. Man fand, dass sie selbst unter pessimistischen Annahmen gerade 5 % der Anomalie bewirkt haben konnten. Dann untersuchte man den Strahlungsdruck, der von den Sendern der Raumfahrzeuge ausging, fand ihn aber viel zu gering, um das Phänomen zu erklären. Und der Effekt blieb auch stets gleichmäßig, egal ob die Pioneers nun sendeten oder nicht.

Man ging die möglichen astronomischen Ursachen durch: Gab es gravitative Einflüsse unentdeckter Objekte im Kuiper-Gürtel? Wie war es mit der Wirkung von interplanetarem Staub und Plasma? Vielleicht veränderte sich der Strahlungsdruck der Sonne im Laufe der Zeit? Oder gab es vielleicht wandernde Magnetfelder? 

Ein Hauptverdächtiger für den Effekt war die Zerfallswärme der mit Plutonium betriebenen Radio-Isotopengeneratoren. Die Radiatoren der Sonden strahlten zu Beginn ihrer Reise im Durchschnitt 2000 Watt ab. Doch diesen Punkt konnte man schnell ausschließen, denn zum einen wird die Zerfallswärme nicht gerichtet abgestrahlt, sondern in alle Richtungen gleichmäßig verteilt, und zum anderen nimmt diese Zerfallswärme mit der Halbwertszeit von Plutonium 238 ab. Die beträgt knapp 88 Jahre, die Abstrahlungsleistung müsste demzufolge schon auf unter 75 % abgesunken sein. Die Anomalie aber zeigte sich unbeeindruckt und blieb weiterhin gleichmäßig.

Auch die Kernumwandlung von Plutonium selbst wurde untersucht. Bei diesem Prozess wird pro Jahr ein knappes Gramm Helium erzeugt, das mit einer Geschwindigkeit von 1,22 km/sec abgestrahlt wird. Doch auch hier konnte man ermitteln, dass dieser Effekt höchstens 1,5 % zum Phänomen beiträgt.

Man sah die Projektdokumentation nach Berechnungs- und Navigationsfehlern durch. Die Wissenschaftler fragten sich, ob sie auch die Erdbewegung im Bezug zur Raumsonde richtig bestimmt hatten. Immer tiefer arbeiteten sich die Wissenschaftler in mögliche kleinste Fehler ein. Präzession, Nutation, siderische Rotation, Polbewegungen, Gezeitenkräfte, tektonischen Bewegungen der Erdplatten welche die Empfangsantennen beeinflussten? Hatte man all das richtig mit einbezogen? Ergebnis: Ja, man hatte.

Nun begann man, die Antennen des Deep Space Network der NASA zu untersuchen. Vielleicht war hier etwas, das nicht so sein sollte. Mechanische Deformationen der Antennen durch Konstruktionseinflüsse vielleicht? Alterungserscheinungen, Natureinflüsse. Ergebnis: Der gesammelte Effekt, den die Antennen selbst zur Anomalie beigetragen haben konnten, betrug fünf zehntausendstel des Effektes.

Aber vielleicht waren die Zeitdaten falsch berechnet worden? Vielleicht stimmte die Umrechung der Ephemeridenzeit auf die Internationale Atomzeit an irgendeiner hinteren Kommastelle nicht ganz genau. Aber: sie stimmte.

Immer exotischer wurden die Untersuchungen. Man prüfte die Drift der Trägerfrequenz und der Zeitmessung. Man untersuchte die Bahn der Pioneer-Sonden im Rahmen des relativistischen Einstein-Infeld-Hoffmann-Modells. Man analysierte die Propagation der Radiosignale, den Shapiro-Effekt im Gravitationsfeld der Sonne, die Spin-Rotationskopplung von Sender und Empfänger, man berechnete Love'sche Zahlen und das Chandler-Wobbling.

Nichts!

Vielleicht gab es aber Vergleichsdaten anderer Raumfahrzeuge? Da ist nur ein Problem. So überaus viele Raumfahrzeuge, die mehr als 20 Astronomische Einheiten von der Erde entfernt sind, gibt es nicht. Und da ist noch ein Problem, und das hat damit zu tun, dass all die neuen Sonden viel aktiver, beweglicher, fortschrittlicher und über alle Achsen permanent lagegeregelt sind. Sie halten nicht ruhig. Ständig drehen sie sich irgendwohin, messen, bremsen oder beschleunigen. So ist es auch bei den beiden Voyager-Sonden. Sie haben die Bahn des Pluto schon vor Jahren hinter sich gelassen. Doch diese Raumfahrzeuge sind noch voll aktiv und führen bis auf den heutigen Tag ständige Steuerimpulse durch. Diese Impulse und die damit verbundenen Effekte übertönen die Wirkung der Pioneer-Anomalie aber bei weitem, und sie können nicht, wie bei den viel einfacher konstruierten Pioneer-Sonden, ohne weiteres herausgerechnet werden. Es ist, als würde man auf das weit entfernte Zirpen einer Grille horchen, während gleichzeitig in unmittelbarer Nähe eine Feuerwehrsirene kreischt.

Irgendwann waren die Wissenschaftler mit ihrem Latein am Ende. Und es kam der Moment, vor dem sich jeder seriöse Forscher fürchtet: Der Moment, an dem sich der Schluss aufdrängt, dass ein Phänomen mit den verfügbaren physikalischen Erkenntnissen nicht erklärbar ist.

Keine Verifikation möglich

Die Pioneer-Sonden selbst können für die Verifikation des nach ihnen benannten Effektes nicht mehr verwendet werden. Obwohl später gestartet als Pioneer 10 hielt Pioneer 11 nicht so lange durch wie die Schwestersonde. Schon während des Starts im Jahre 1973 war der Primärtransmitter ausgefallen, und so hatte das kleine Raumfahrzeug all die Jahre über die Reserveeinheit gesendet. Die Mission endete am 30. September 1995, an diesem Tag bestand zum letzten Mal Kontakt mit Pioneer 11. Das Raumfahrzeug war zu diesem Zeitpunkt 44,7 Astronomische Einheiten von der Erde entfernt.

Pioneer 10 überlebte länger. Ende der neunziger Jahre waren bis auf den Geigerzähler alle Instrumente entweder ausgefallen oder abgeschaltet worden, weil die nachlassende Leistung der Isotopenbatterien ihren Betrieb nicht mehr zuließ. Man nahm aber weiterhin regelmäßig Funkkontakt auf, um aus der Dopplerverschiebung des Signals Entfernungs- und Bewegungsdaten zu erhalten. Nicht zuletzt für die Ermittlung der Pioneer-Anomalie. Die letzte erfolgreiche Kontaktaufnahme erfolgte am 27. April 2002. Als die NASA am 6. Februar 2003 erneut versuchte, Verbindung mit ihrem kleinen Raumfahrzeug zu bekommen, um auch den Geigerzähler abzuschalten, meldete sich die Sonde nicht mehr.

Außerhalb der Naturgesetze?

Pioneer 10 ist zurzeit etwa 14 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt. Mehr als doppelt so weit wie der Zwergplanet Pluto. Beim letzten Kontakt brauchten ihre Funksignale zwölf Stunden, um unseren Heimatplaneten zu erreichen. Die generelle Flugrichtung geht in das Sternbild Stier, in Richtung des Sterns Aldebaran, den sie nach einer Flugstrecke von etwa 68 Lichtjahren in etwa 2 Millionen Jahren erreichen könnte.

Es wurden inzwischen auch einige Schlussfolgerungen aus der Untersuchung der Anomalie gezogen. Für eine Theorie sind diese Daten aber noch zu dünn. Die Vermutungen, die sich aufdrängen, könnten auch purer Zufall sein. So hat man festgestellt, dass der Wert der Anomalie sehr nahe dem Produkt aus der Hubble-Konstante und der Lichtgeschwindigkeit ist. Damit würde sich die Frage stellen, ob die Anomalie im Zusammenhang mit der Expansion des Kosmos steht.

Vielleicht ist der Effekt auch ein erster Nachweis heute noch spekulativer und hypothetischer Elemente einer neuen Physik. Die Pioneer-Anomalie ist womöglich das Resultat von Kräften der mysteriösen dunklen Materie und der dunklen Energie.All das ist ist heute noch Spekulation.

An Bord der beiden Raumsonden befinden sich Goldplaketten, auf denen sich Bilder von Menschen befinden und eine Beschreibung von woher das kleine Raumfahrzeug kommt. Mit einiger Wahrscheinlichkeit wird kein heute lebender Mensch diese Plaketten jemals wieder sehen. Eines aber dürfen wir als sicher annehmen: Wer immer diese kleinen Raumschiffe eines fernen Jahres bergen wird, seien es wir Menschen selbst oder sei es eine außerirdische Zivilisation: Sie werden die Lösung dieses Mysterium der Raumfahrt kennen.

Epilog

Im März 2005 hat die Wissenschaftszeitschrift New Scientist die Pioneer-Anomalie unter den 13 rätselhaftesten Phänomenen der Wissenschaft aufgelistet.

Lesern, die mehr über dieses Thema wissen wollen, sei der äußerst informative Artikel von Hansjörg Dittus und Claus Lämmerzahl zur Lektüre empfohlen. Informationen daraus sind in diesen Beitrag eingeflossen.

Astra