Quỹ đạo bất thường của phi thuyền vũ trụ Pioneer 10 và 11 khi chúng rời khỏi hệ mặt trời không phải do một cơ sở vật lí mới lạ nào gây ra mà là do sự phát xạ nhiệt có nguồn gốc từ sự phân hủy phóng xạ. Đó là tuyên bố của các nhà nghiên cứu ở Mĩ và Canada, họ đã so sánh kết quả của một mô phỏng hết sức chi tiết trên máy vi tính của lực nhiệt tác dụng lên một trong hai phi thuyền với lực này tính từ quỹ đạo của sứ mệnh đó. Nghiên cứu còn đề xuất rằng sự suy giảm gia tốc theo thời gian mà người ta quan sát thấy là kết quả của cách thức phát điện trên phi thuyền và phân bố đến các thiết bị khoa học của nó.
Các nhà vật lí đã biết trong hơn một thập kỉ qua rằng hai phi thuyền Pioneer 10 và 11 đang đi theo những quỹ đạo không thể giải thích bằng cơ sở vật lí thông thường. Được gọi là “dị thường Pioneer”, cả hai phi thuyền dường như đang chịu một sự gia tốc bổ sung hướng về phía Mặt trời khi chúng đi ra khỏi hệ mặt trời với độ lớn yếu hơn 10 tỉ lần sức hút hấp dẫn của Trái đất. Nhiều lời giải thích đã được nêu ra cho nguồn gốc của sự gia tốc dị thường này, bao gồm đủ thứ từ lực hút hấp dẫn của vật chất tối và các biến thể của thuyết tương đối rộng của Einstein cho đến lí thuyết dây và/hoặc siêu đối xứng.
Vào năm 2011, một đội khoa học đứng đầu là Slava Turyshev thuộc Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực ở California – và Viktor Toth, Jordan Ellis và Craig Markwardt – đã chứng minh rằng độ lớn của gia tốc đó đang giảm theo hàm số mũ theo thời gian. Biết rằng với cả hai phi thuyền, điện năng được cung cấp bởi một máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) hoạt động nhờ nhiệt giải phóng bởi sự phân hủy phóng xạ của plutonium – một nguồn năng lượng phân hủy theo hàm số mũ theo thời gian – Turyshev và các đồng sự đề xuất rằng gia tốc bổ sung trên có thể là do bức xạ nhiệt đang phát ra từ phi thuyền theo một hướng ưu tiên.
Tuy nhiên, vấn đề với cách giải thích này là gia tốc của phi thuyền đang giảm theo hàm số mũ với chu kì bán rã khoảng 27 năm, trong khi chu kì bán rã của plutonium-238 là 88 năm. Cho nên, để biết sự phát xạ nhiệt có thật sự đang chi phối dị thường trên hay không, Turyshev, Toth và Ellis đã hợp tác với ba nhà nghiên cứu khác – Gary Kinsella, Siu-Chun Lee và Shing Lok – tạo ra một mô phỏng chi tiết trên máy tính của các tính chất nhiệt của phi thuyền và hướng mà những bộ phận chính phát ra bức xạ nhiệt.
Ảnh minh họa phi thuyền Pioneer 10. (Ảnh: NASA Ames Research Center)
Sự gia tốc vừa đủ
Chương trình mô phỏng cho thấy hai nguồn phát xạ nhiệt chủ yếu trên phi thuyền chính là RTG và các thiết bị khoa học mà nó cấp nguồn. Những thiết bị này, chủ yếu gắn trên phía sau phi thuyền, nằm ở phía xa Mặt trời và, theo các mô phỏng, sự phát xạ nhiệt của chúng có tác dụng tương đối cao làm tăng tốc phi thuyền về phía Mặt trời. Trái lại, RTG gắn ở một bên của phần thân chính cảu phi thuyền và phát ra bức xạ nhiệt đều đặn hơn nhiều theo mọi hướng.
Nghiên cứu trên đề xuất rằng việc biết sự đóng góp tương đối của RTG và các thiết bị đối với sự gia tốc dị thường là cái then chốt nên hiểu để lí giải tại sao sự suy giảm gia tốc dị thường đã quan sát thấy lại nhanh hơn sự phân hủy của plutonium-238. Theo Turyshev, cặp nhiệt điện tại trung tâm của RTG dần dần trở nên kém hiệu quả trong việc biến đổi nhiệt năng thành điện năng – và sự phân hủy này xảy ra với chu kì bán rã có chút ngắn hơn 88 năm. Khi cặp nhiệt điện hỏng, điện năng cấp cho các thiết bị ít hơn, nghĩa là sự gia tốc dị thường giảm nhanh hơn so với trông đợi từ chỉ riêng sự phân hủy phóng xạ. Mặc dù theo thời gian trôi qua có nhiều nhiệt lượng được RTG tiêu tán hơn, nhưng kết quả này có ít tác động lên sự chuyển động của phi thuyền.
Ghi chú và ghi nhớ
Theo Turyshev, thách thức lớn nhất trong việc phát triển mô phỏng trên là “sự thiếu thông tin chính xác và hoàn chỉnh về hai phi thuyền”, chúng dã được thiết kế và chế tạo hồi hơn 40 năm trước. Đội khoa học đã phỏng vấn các kĩ sư tham gia chế tạo phi thuyền và còn giữ các ghi chú và ghi nhớ về thiết kế và chất liệu đã sử dụng. Cũng quan trọng đối với sự thành công của đội khoa học là việc sử dụng dữ liệu gửi về Trái đất trong tiến trình triển khai sứ mệnh. Trong số này có nhiệt độ ở một vài chỗ trên phi thuyền, cho phép đội khoa học đánh giá độ chính xác của chương trình mô phỏng của mình và đồng thời suy luận ra tính chất nhiệt của một số chất liệu sử dụng trong vệ tinh.
Đội khoa học còn tiến hành một phân tích độc lập quỹ đạo của Pioneer 10, từ đó các nhà nghiên cứu còn có thể trích xuất ra sự đóng góp tương đối của RTG và các thiết bị đối với sự gia tốc dị thường trên. Cả mô phỏng nhiệt và phân tích quỹ đạo đều cho những kết quả giống nhau, trong ngưỡng sai số thực nghiệm và tính toán.
Sự ăn khớp giữa nghiên cứu nhiệt và nghiên cứu quỹ đạo này đã gây ấn tượng đối với Benny Rievers thuộc trường Đại học Bremen ở Đức. Với người đồng nghiệp của ông, Claus Lämmerzahl, Rievers còn sử dụng sự mô phỏng trên máy tính để chứng minh rằng sự phát xạ nhiệt theo hướng có khả năng là nguyên nhân gây ra sự dị thường Pioneer. “Tôi nghĩ ngày nay chúng ta hoàn toàn đã hiểu cái đang diễn ra với phi thuyền trên và sự dị thường đó hoàn toàn là do sự bức xạ nhiệt dị hướng,” Rievers nói.
123physics – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
