Jenseits der großen Planeten wird eine Raumsonde zu einem ungewöhnlich sauberen physikalischen Experiment. Es gibt dort keine Atmosphäre, die sie bremst, und das Sonnenlicht wird mit zunehmender Entfernung immer schwächer. Die Gravitation von Sonne und Planeten lässt sich sehr genau berechnen. Wer weiß, mit welcher Geschwindigkeit eine Sonde unterwegs ist und welche Kräfte auf sie wirken, sollte auch wissen, wie sie sich weiterbewegt.

Bei Pioneer 10 und Pioneer 11 ging diese Rechnung über Jahre hinweg nicht vollständig auf.

Pioneer 10 war am 2. März 1972 gestartet. Sie durchquerte als erste Raumsonde den Asteroidengürtel und flog 1973 an Jupiter vorbei. Pioneer 11 folgte 1973, passierte Jupiter und erreichte 1979 als erste Sonde Saturn. Danach bewegten sich beide auf Fluchtbahnen weiter nach außen. Ihre große Parabolantenne blieb zur Erde ausgerichtet, während die Sonden zur Stabilisierung um ihre eigene Achse rotierten.

Gerade ihre Funksignale machten die Sonden zu präzisen Versuchskörpern. Das Deep Space Network konnte aus der Dopplerverschiebung der Radiowellen bestimmen, wie sich ihre Geschwindigkeit entlang der Sichtlinie zur Erde veränderte. Über lange Zeiträume lassen sich auf diese Weise selbst äußerst kleine Abweichungen erkennen.

Ende der 1990er Jahre legte ein Team um John Anderson vom Jet Propulsion Laboratory eine solche Abweichung ausführlich vor. Die gemessenen Dopplerdaten ließen sich besser beschreiben, wenn man den Bahnmodellen eine zusätzliche sehr kleine Beschleunigung hinzufügte. In der klassischen Analyse von 2002 betrug sie

8,74 × 10⁻¹⁰ Meter pro Sekunde zum Quadrat.

Das ist weniger als ein Milliardstel der Erdbeschleunigung. Für wenige Sekunden wäre der Effekt belanglos. Über Jahre hinweg hinterlässt er jedoch eine messbare Spur in den Funksignalen. Die frühe Analyse beschrieb ihn als ungefähr sonnenwärts gerichtet; spätere Auswertungen zeigten, dass sich die genaue Richtung aus den Daten weniger eindeutig bestimmen ließ, als diese einfache Formulierung vermuten lässt.

Das Rätsel bekam einen Namen: die Pioneer-Anomalie.

Natürlich dachte zunächst niemand an eine neue Naturkraft. Raumsonden sind keine idealen Punktmassen aus einem Physiklehrbuch. Gas kann aus Leitungen entweichen. Triebwerke können winzige Restkräfte erzeugen. Die Funkantenne selbst übt durch ihre abgestrahlten Photonen einen Rückstoß aus. Sonnenlicht drückt auf die Sonde. Auch Fehler in den Bahnberechnungen mussten ausgeschlossen werden.

Anderson und seine Kollegen untersuchten solche Möglichkeiten ausführlich. Keine der damals quantifizierten Störquellen schien den gesamten Effekt überzeugend zu erklären. 1998 und erneut 2002 erschienen die Ergebnisse in Fachzeitschriften der American Physical Society. Damit war aus einem Navigationsproblem eine physikalische Anomalie geworden.

Und Anomalien locken Theorien an.

In den folgenden Jahren erschienen Arbeiten über veränderte Gravitationsgesetze, zusätzliche Felder und andere mögliche Erweiterungen der bekannten Physik. Das war keine wissenschaftliche Leichtfertigkeit. Wenn ein gut vermessener Körper im äußeren Sonnensystem dauerhaft von seiner berechneten Bahn abweicht und gewöhnliche Ursachen ausscheiden, muss man auch ungewöhnliche Möglichkeiten prüfen.

Doch es gab ein Problem mit dem vermeintlich sauberen Experiment: Die beiden Versuchskörper waren keine kalten Metallkugeln.

Sie waren warm.

Pioneer 10 und 11 trugen radioisotopische Thermogeneratoren. In ihnen setzte der radioaktive Zerfall von Plutonium-238 Wärme frei, von der ein Teil in elektrische Energie umgewandelt wurde. Auch die Bordelektronik produzierte Abwärme. Weil es im Vakuum keine Luft gibt, die diese Wärme durch Konvektion abtransportieren könnte, musste die Sonde sie hauptsächlich als Infrarotstrahlung an den Weltraum abgeben.

Das allein wäre noch kein Problem gewesen. Würde ein Körper vollkommen gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlen, würden sich die Rückstöße der ausgesandten Photonen weitgehend aufheben.

Pioneer war jedoch nicht symmetrisch.

Die Thermogeneratoren saßen an Auslegern. Der zentrale Gerätekörper besaß unterschiedliche Oberflächen und Isolierungen. Vor ihm stand die fast drei Meter große Parabolantenne. Wärme konnte von Bauteilen abgestrahlt, von anderen Flächen abgeschirmt oder reflektiert werden. Wenn dabei in einer Richtung nur geringfügig mehr Strahlungsleistung entwich als in der anderen, erhielt die Sonde einen ebenso geringfügigen Schub in Gegenrichtung.

Für eine etwa 250 Kilogramm schwere Sonde braucht es dafür erstaunlich wenig. Eine gerichtete Strahlungsleistung in der Größenordnung von nur einigen Dutzend Watt erzeugt bereits einen Rückstoß in derselben Größenordnung wie die Pioneer-Anomalie. Die Frage war deshalb nicht mehr, ob Wärme prinzipiell stark genug sein konnte. Die Frage war, ob die wirklichen Sonden tatsächlich genau die richtige Wärmeverteilung besessen hatten.

Um das herauszufinden, brauchte man Informationen, die Jahrzehnte zuvor aufgezeichnet worden waren.

Ab 2004 begann der JPL-Physiker Slava Turyshev gemeinsam mit Kollegen, die alten Pioneer-Daten systematisch wieder zusammenzutragen. Sie suchten nicht nur nach den Navigationsdaten, sondern auch nach der Telemetrie: Temperaturen, Spannungen, elektrische Leistungen und andere technische Zustandsdaten, die die Sonden während ihrer Reise zur Erde gesendet hatten.

Die Suche führte tief in die Vergangenheit der Computertechnik. Mehr als ein Dutzend Kisten mit Magnetbändern fanden sich unter einer Treppe am JPL. Daten kamen aus NASA-Archiven und von alten Rechnern der Pioneer-Navigation. Eine historische Bandmaschine wurde vor der Entsorgung gerettet, weil sie noch benötigt wurde, um Teile des Materials lesen zu können. Insgesamt kamen mehr als 43 Gigabyte alter Daten zusammen. Der Programmierer Viktor Toth entwickelte mit Turyshev Software, um die Telemetrie nutzbar zu machen.

Damit ließ sich rekonstruieren, wie sich die Sonden über die Jahre verändert hatten. Die radioaktiven Energiequellen verloren langsam an Leistung. Elektrische Geräte wurden abgeschaltet. Temperaturen sanken. Auch ein thermischer Rückstoß hätte deshalb nicht vollkommen konstant bleiben dürfen.

Genau darauf deuteten die erweiterten Dopplerdaten hin. Eine 2011 veröffentlichte Analyse fand, dass eine mit der Zeit abnehmende zusätzliche Beschleunigung die Messungen besser beschrieb als eine streng konstante. Das war noch kein Beweis für eine Wärmeursache, passte aber zu ihr.

Im nächsten Schritt bauten Turyshev und seine Kollegen detaillierte thermische Computermodelle der Sonden. Grundlage waren Konstruktionsunterlagen und die tatsächlichen Telemetriedaten. Das Modell berechnete, wie Wärme durch die Raumfahrzeuge geleitet wurde, wo sie abgestrahlt wurde und welchen Rückstoß die ungleichmäßig austretende Strahlung erzeugte.

Dann führten die Forscher zwei Analysen unabhängig voneinander durch.

Aus dem thermischen Modell bestimmten sie, welchen Schub die Wärme erzeugen sollte. Aus den Navigationsdaten bestimmten sie, welchen zusätzlichen Schub die Flugbahn verlangte.

Die Ergebnisse stimmten überein.

Die berechnete thermische Kraft besaß die passende Größenordnung und zeitliche Entwicklung. Als sie im Bahnmodell berücksichtigt wurde, blieb nach der 2012 in Physical Review Letters veröffentlichten Analyse keine statistisch signifikante zusätzliche Beschleunigung mehr übrig.

Zwei Jahre später kam eine unabhängige Untersuchung von Dario Modenini und Paolo Tortora an der Universität Bologna zum selben Ergebnis. Auch sie bauten ein thermisches Modell und analysierten die Bahndaten mit der NASA/JPL-Software zur Orbitbestimmung. Ihre Lösungen benötigten keine unbekannte zusätzliche Kraft neben dem thermischen Rückstoß.

Damit war eines der langlebigsten Rätsel der Raumfahrt im Wesentlichen gelöst.

Und gerade die Art dieser Lösung macht die Pioneer-Anomalie bemerkenswert. Die bekannte Physik hatte nicht versagt. Man hatte sie zunächst nur nicht vollständig auf das Raumfahrzeug angewandt.

Eine Sonde ist eben nicht bloß eine Masse mit einer Geschwindigkeit. Sie besitzt Generatoren, Elektronik, Isolierungen, Antennen und Oberflächen. Sie altert. Ihre elektrische Leistung verändert sich. Sie strahlt Wärme ab. Selbst Photonen, die als unsichtbares Infrarotlicht in den Raum verschwinden, tragen Impuls mit sich.

Bei einer Beschleunigung von weniger als einem Milliardstel Meter pro Sekunde zum Quadrat reicht eine kleine Asymmetrie, um in jahrzehntelangen Präzisionsmessungen sichtbar zu werden.

Pioneer 11 verstummte 1995. Von Pioneer 10 wurde am 23. Januar 2003 das letzte Signal empfangen, fast 31 Jahre nach ihrem Start. Beide Sonden fliegen weiter hinaus.

An Bord tragen sie jene berühmten Plaketten, die möglichen Findern zeigen sollen, woher die Raumfahrzeuge stammen. Doch lange bevor irgendjemand diese Botschaft lesen könnte, hatten Pioneer 10 und 11 bereits eine andere hinterlassen.

Die rätselhafte Kraft kam nicht aus den Tiefen des Universums.

Die Sonden hatten sie selbst mitgebracht.