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Rätselhafte Kraft im All

Der Oldie unter den Raumsonden, Pioneer 10, ist seit 1983 in den Tiefen des interstellaren Raums unterwegs. Doch die Sonde gibt noch immer Rätsel auf: Irgend etwas bremst Pioneer 10 ab - die Wissenschaftler haben dafür keine Erklärung.

Von Wolfgang Richter

Als am 2. März 1997 im Hauptquartier der Nasa die Sektkorken knallten, glaubten die Wissenschaftler, eines ihrer erfolgreichsten Projekte sei nun zu Ende gegangen. Genau vor 25 Jahren war die Raumsonde Pioneer 10 vom amerikanischen Kap Kennedy aus gestartet. Sie durchquerte als erste den Planetoidengürtel zwischen Mars und Jupiter, von dem man nicht wusste, ob er überhaupt passierbar war. Ohne mit einem Gesteinsbrocken kollidiert zu sein, setzte sie ihren Weg fort und funkte die ersten Nahaufnahmen vom Jupiter zur Erde. Nun hatte sie Pluto hinter sich gelassen, den letzten Planeten im Sonnensystem, und flog hinein in die Einsamkeit des Alls.

Ist es der Treibstoff? Das Plutonium-Kraftwerk? Oder interstellarer Staub?

Doch bereits seit 1980 war ein Team von sechs Forschern einem merkwürdigen Phänomen auf der Spur: Pioneer 10 wurde langsamer. Zwar nicht viel, aber messbar - und vor allem stetig. John D. Anderson vom "Jet Propulsion Laboratory" der Nasa in Kalifornien und seine Kollegen fingen an, nach möglichen Ursachen zu fahnden. Treibstoff, der unkontrolliert entgegen der Flugrichtung austritt, könnte die Sonde abbremsen. Oder ist es die Abwärme des Plutonium-Kraftwerks an Bord, die vielleicht nicht in alle Richtungen gleich abgestrahlt wird und so auch zu einem Rückstoß führt? Oder wird die Sonde einfach durch den Zusammenstoß mit interstellarem Staub langsamer?

Erst 1998, ein Jahr nach dem 25-jährigen Jubiläum und offiziellen Ende der Mission, und 18 Jahre nach dem Beginn ihrer Untersuchungen, waren sich die Wissenschaftler sicher und gingen an die Öffentlichkeit. Ihr Fazit: Alle einfachen Erklärungsversuche sind gescheitert. "Was Anderson und sein Team da vollbracht haben, war eine extreme Fleißarbeit", meint Eugen Willerding vom Institut für Astronomie der Universität Bonn. Viele Erklärungen konnten sie schon dadurch ausschließen, dass die gemessene Abbremsung der Sonde konstant ist. So kann sie zum Beispiel nichts mit der Energieversorgung von Pioneer 10 zu tun haben. "Da das Plutonium immer weiter zerfällt, nimmt auch die abgestrahlte Energie ab - und das müsste dann auch für die Abbremsung gelten", erzählt Willerding. Ein weiterer Glücksfall für die Untersuchung: Pioneer 11, der baugleiche Zwilling von Pioneer 10, ein Jahr später gestartet, zeigte genau die gleiche Abbremsung. Ein einfacher Defekt an einer der Sonden kann das Phänomen also nicht erklären. Nach dem Besuch von Jupiter und Saturn hat Pioneer 11 bereits im Jahr 1995 den Dienst eingestellt - die Energieversorgung war zusammengebrochen.

Könnte die Ausdehnung des Weltalls die Ursache sein?

"Mit die größte Schwierigkeit bestand wohl darin, zu zeigen, dass bei der Messung der Geschwindigkeit kein Fehler passiert ist", meint Eugen Willerding. Das Prinzip der Messung ist einfach. Radiowellen einer bestimmten Frequenz werden von der Erde zur Sonde geschickt, von ihr zurückgestrahlt und von Radioteleskopen auf der Erde wieder aufgefangen. Je nach Geschwindigkeit der Sonde kommt es dabei zu einer Änderung der Frequenz durch den "Doppler-Effekt", den man vom Martinshorn eines Krankenwagens kennt: Fährt er von einem weg, ist der Ton tiefer als normal, weil die Schallwellen durch die Fahrt auseinander gezogen werden. Prinzipiell könnten die Kreiselbewegungen der Erde, die Gezeitenkräfte und sogar die Bewegungen der Kontinentalplatten den Doppler-Effekt beeinflussen. Andersons Team gelang es aber zu zeigen, dass diese Phänomene keine Rolle spielen.

Was also könnte die Ursache für die inzwischen als "Pioneer-Anomalie" bekannte Abbremsung sein? Hoch im Kurs als Erklärung stand zunächst die Ausdehnung des Weltalls, die seit dem Urknall anhält. "Die Größe der Abbremsung ist ziemlich genau gleich dem Produkt aus Lichtgeschwindigkeit und Hubble-Konstante", sagt Claus Lämmerzahl vom Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation in Bremen. "Und das ist zumindest bemerkenswert." Die Hubble-Konstante beschreibt nämlich die Geschwindigkeit, mit der sich die Galaxien durch die Ausdehnung des Alls von der Erde entfernen. Berechnungen haben allerdings gezeigt, dass in Gegenden mit starken Gravitationskräften - wie in unserem Sonnensystem - die Ausdehnung des Universums durch den starken Zusammenhalt der Materie fast nicht zu spüren ist.

"Eine Goldgräberzeit für neue Theorien ist angebrochen"

"Nachdem alle herkömmlichen Erklärungsversuche nicht gegriffen haben, ist nun eine Goldgräberzeit für neue Theorien angebrochen", sagt Claus Lämmerzahl. Zwei davon liefern sich momentan ein Kopf-an-Kopf-Rennen in der Gunst der Physiker. Da ist zum einen die "dunkle Materie", die viele Forscher im Weltall vermuten. Denn nur mit ihr könnten sie die Geschwindigkeit der Sterne in den Galaxien und die Verteilung der Galaxien im Weltall erklären. Sie hätte mit der uns bisher vertrauten Materie und auch mit schwarzen Löchern und ähnlichem nichts zu tun. "Wenn dunkle Materie die Sonde anziehen würde, wäre natürlich die Frage, warum die Planeten davon nichts mitbekommen", meint Lämmerzahl. Denn deren Bahnen sind unverändert stabil.

Die andere Theorie macht sich die Tatsache zu nutze, dass es sehr schwierig ist, das Newtonsche Gravitationsgesetz bei sehr kleinen Massen (zum Beispiel zwei Bleikugeln) zu überprüfen. Trotz der großen Planetenmassen wirken auch auf die 250 Kilogramm leichte Pioneer 10 in den Weiten des Alls nur sehr geringe Kräfte. Muss man das Gravitationsgesetz also vielleicht mit einem Zusatz für kleine Kräfte versehen, der nur in diesen Fällen zum Tragen kommt und so die Anomalie erklären könnte? Richtig schön findet Eugen Willerding diese Lösung auch nicht: "Ein tieferer physikalischer Grund, warum man das Gravitationsgesetz erweitern sollte, fehlt bisher."

Ähnliche Effekte auch bei anderen Sonden

Beide Forscher halten es immer noch für möglich, dass es doch eine ganz "banale" Erklärung für die Pioneer-Anomalie gibt. Einige Wissenschaftler wollen allerdings einen ähnlichen Effekt auch bei der Jupiter-Sonde Galileo und der Sonnen-Sonde Ulysses festgestellt haben. "Klarheit könnte hier eine neue Mission schaffen, die speziell auf die Untersuchung solcher Phänomene zugeschnitten wäre", sagt Claus Lämmerzahl. Bis es soweit ist, will er die ganz alten Pioneer-Daten auswerten, die noch auf Magnetbänder aufgezeichnet wurden. Pioneer 10 ist mittlerweile doppelt so weit von der Erde entfernt wie Pluto. Anfang März war die Sonde zum letzten Mal in einer günstigen Position für einen Funkkontakt. Das Signal von der Erde, das zwölfeinhalb Stunden bis zur Sonde brauchte, erhielt aber keine Antwort mehr.

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