讓美國“先驅者”號探測器異常的原因，40多年前，美國曾經發射了兩個探索外太陽系的探測器—“先驅者”號衛星探測飛船，都出現了意外的減速現象，被稱為“‘先驅者’號異常”。維克多·託思是一位軟件工程師，斯拉瓦·圖裡謝夫是一位理論物理學家，目前都在位於美國加利福尼亞州帕薩迪納市的美國航空航天局噴氣推進實驗室工作。為了解開“‘先驅者’號異常”之謎，他們花費了數年時間。
現在，經過多年的研究，我們終於知道了其中的原因。
1972年3月2日和1973年4月6日，美國航空航天局先後發射了“先驅者10”號和“先驅者11”號探測器。這兩個探測器是真正的探索宇宙的先驅者，它們使人類第一次近距離觀察到太陽系小行星帶之外的世界。它們也留下了一個謎，一個多年以來困擾和激勵著天體物理學家的謎。
像許多謎團一樣，一開始人們只是發現有些不對勁。“先驅者10”號和“先驅者11”號越過木星和土星的軌道之後不久，導航員開始注意到一些意想不到的情況。兩個探測器的飛行速度似乎都比控制人員預測的要慢，好像有一股力量在緩慢地把它們拉向太陽的方向。
探測器的減速幅度極小，只有我們在地球表面感受到的重力加速度的十億分之一。起初，這麼小的影響似乎沒有什麼特別之處，可以把它當作一種簡單的修正，航天器的導航員就經常為了調整探測器動作中因燃料洩漏等引起的一些小的、暫時性的偏差。如果不是因為一個令人困擾的細節，沒有人會關注這件事：多年來，隨著探測器不斷向太空深處移動，這種微小的差異一直存在。沒有人知道它是如何產生的。
在首次發現超過15年之後，這種異常現象最終於1998年被公佈，不久就出現了許多可能的解釋。對遙遠恆星爆炸的研究表明，宇宙正在加速膨脹。“先驅者”號探測器減速的幅度正好處於合理的範圍內，這表明我們可能是在太陽系內看到了這種膨脹。但這只是一種可能性。一些人懷疑這兩個探測器被一種看不見的暗物質雲團或其他物質牽引，導致萬有引力定律在大範圍內受到破壞。還有一些人認為，這可能是“先驅者”號探測器發現了額外維度或奇異的“鏡像物質”的第一個證據。
總共有數百篇論文試圖用新物理學來解釋“先驅者”號探測器的異常現象，但這些解釋中沒有一個能令人完全滿意，而且一直存在著一個更普遍的看法——也許是探測器本身某些方面的原因造成的。維克多·託思和斯拉瓦·圖裡謝夫經過搜尋失蹤的探測器記錄、詳細研究機載傳感器和導航數據以及精心模擬探測器及其飛行軌跡之後，堅信我們終於知道了答案。他們努力找出這種異常現象的根源，這既是一個偵探故事，也是一個警示性故事，說明了保存看似沒有多大作用的數據的重要性。
要了解“先驅者”號探測器的異常，從其開始設計談起或多或少會有些幫助。在20世紀60年代中期，當專家設想研製“先驅者10”號和“先驅者11”號探測器時，還沒有任何航天器被送到火星的軌道上。沒有人知道穿越火星和木星之間的小行星帶會有多大風險，也沒有人知道承受環繞氣態巨行星的強烈輻射區有多困難。但“先驅者10”號和“先驅者11”號的設計師仍然認為他們擁有完成這些任務所需的技術。
在木星軌道上，太陽光的亮度大約是地球軌道的4%，太暗了，無法給探測器的太陽能電池板提供能量。因此，每個探測器都攜帶了一套四個放射性同位素熱電發生器(簡稱RTG)，放置在與探測器敏感儀器相距一段安全距離的長杆上，就像一對兔子耳朵一樣。這些發生器使用雙金屬熱電偶將來自鈈-238的放射性衰變產生的熱量直接轉化為電能。放射性同位素熱電發生器非常可靠：它們沒有移動部件，燃料的半衰期長達88年，意味著探測器將有足以使用幾十年的能量。
“先驅者10”號和“先驅者11”號上最大的單一部件是高增益天線，它是一個大圓盤，直徑2.74米，其作用是在飛出火星軌道後與地球通信。探測器可以沿著天線的軸線旋轉以保持穩定。探測器的天線指向一個一致的方向，因此不需要頻繁地校正姿態。如果天線沒有對準地球，輸入信號後，專門的電路會在探測器旋轉時調整天線的方向。探測器的大部分控制儀器和科學儀器都安裝在這個圓盤背後，有專門的電路打開散熱窗，以釋放多餘的熱量。每個探測器上都有防止儀器受到輻射的裝置以及磁力計。
擁有了上述基本技術，“先驅者10”號和“先驅者11”號探測器向以前沒有人探索過的太空前進。“先驅者10”號於1972年3月2日發射，它穿越小行星帶並於1973年12月飛過木星，其單像素光電探測器緩慢旋轉，以拍攝巨行星的照片。“先驅者11”號於1973年4月6日發射，執行一項更加重要的任務：在“先驅者10”號飛行一年後飛越木星，利用氣態巨行星的重力改變航向。5年之後，“先驅者11”號飛抵土星環。
隨著探測器逐漸遠離地球，地球繞太陽的視運動也隨之減弱。因此，需要推進器點火以調整定向天線的方向的次數也越來越少。這使得探測器基本上成為彈道物體，即受重力等外力作用而接近理想飛行狀態的探測器。
由美國航空航天局噴氣推進實驗室的天文學家約翰·安德森領導的一組研究人員使用這些幾乎是無源的探測器飛行數據，對太陽系外的重力環境進行了高精度的測量。這個團隊(包括斯拉瓦·圖裡謝夫)專門尋找可能是因沒有發現的行星或在宇宙大爆炸過程中產生的特長波引力波而引起的飛行軌跡的微小變化，但沒有什麼發現。相反，他們的研究發現了完全出乎預料而且難以解釋的事情。
為了把“先驅者10”號和“先驅者11”號作為重力探測器，約翰·安德森領導的團隊主要依靠美國航空航天局的深空網絡從地球發送的信號。深空網絡由位於世界三個不同地點的擁有大型無線電天線的深空通信設施構成。這些天線向“先驅者”號探測器發送了2.11千兆赫的無線電信號，“先驅者號”探測器上沒有精密振盪器，它利用入射波束的頻率將其返回信號調製為2.29吉赫(GHz)。
根據著名的多普勒效應，如果信號源和接收器相對運動，接收到的無線電信號頻率會發生變化。通過測量“先驅者”號探測器發出的信號從2.29吉赫偏移了多少，地面操作員就可以知道探測器相對於地球的視向速度。在探測器足夠長的飛行軌跡上反覆測量視向速度可用來確定其路徑。
當然，為了找出任何未知的影響，團隊必須考慮所有可能改變探測器的運動或其發送信號頻率的因素。美國航空航天局噴氣推進實驗室的導航員必須建立一個考慮各種因素的模型，包括太陽系所有已知物體的引力影響、太陽氣象、太陽輻射壓力、廣義相對論對信號傳播的影響、信號發送和接收時的大氣溼度以及地球磁極的旋進。
當上述因素被輸入每個探測器飛行軌跡的模型中時，團隊期望看到接收無線電信號的頻率與預測的誤差在幾毫赫以內。但結果不是這樣。從1980年開始，安德森及其同事注意到一個更大的偏差。在幾十毫赫的水平上。很明顯，這種差異不只是隨機的噪音。
1998年，美國的《物理評論快報》公佈了這種異常現象，隨後理論物理學家提出了自己的看法。
其中熱輻射被認為是主要的原因。“先驅者”號探測器搭載的放射性同位素熱電發生器的效率很低，只能向探測器提供大約100瓦的電力，但同時會向太空釋放2.5千瓦的熱量。“先驅者號”探測器出現的輕微減速可以用微小的不對稱來解釋。如果每個探測器背面(天線背面)輻射出60瓦的熱量，根據動量守恆定律，就會向另一個方向(朝向地球)產生反衝力，異常現象則得到解釋。
美國航空航天局噴氣推進實驗室的團隊花了幾年時間準備進行一項全面的研究。他們處理了“先驅者10”號超過10年的多普勒測量數據和“先驅者11”號近4年的類似數據，編制了所有可能的誤差和偏差來源清單(包括機載熱量)，最終在2002年發表了一篇近60頁的論文，詳細闡述了所有這些問題。
該團隊的結論是，“先驅者”號的異常可能不是由熱輻射造成的。有兩個原因：第一，放射性同位素熱電發生器位於從探測器機體延伸出2.5米的長杆上，其釋放的餘熱似乎不太可能產生足夠的反衝力(該團隊估計，可能只有1/10);第二，兩個探測器的減速值在發射後的幾十年間基本是不變的。該團隊認為，如果是放射性同位素熱電發生器造成了“先驅者”號的異常，隨著鈈-238的衰減，產生的能量逐漸減少，熱量也更少，減速效應也應減小。
但人們依然存在疑慮。對熱反衝力的估算並不是非常精確;雖然不斷的反衝力似乎可以解釋這種異常現象，但沒有人能真正排除它隨著時間的推移正在逐漸減少的可能性。
如何解決這個問題呢?當然是使用更多的數據和進行更多的分析。維克多·託思和斯拉瓦·圖裡謝夫希望儘可能精確地確定探測器到底釋放出了多少熱量，以及由此產生的力量能否解釋飛行軌跡的異常。為此，他們需要兩組關鍵信息：工程師監視探測器運行的管理數據和多普勒效應數據，而且要儘可能多。
幸運的是，“先驅者10”號和“先驅者11”號的遙測數據大部分被保存下來，可供研究使用。雖然美國航空航天局沒有對這些數據進行存檔，但艾姆斯研究中心的承包商和“先驅者”號團隊前成員、系統工程師拉里·凱洛格非正式地保留了他們可以得到的所有“先驅者”號數據。凱洛格擁有兩個探測器幾乎所有的主數據記錄，即包括“先驅者”號所有科學數據和管理數據的二進制數據文件。
這些數據共有40GB。2005年，當維克多·託思和斯拉瓦·圖裡謝夫決定認真研究這些遙測數據時，已經有人開發了一種新的軟件，可以從主數據記錄中提取有用信息，而無須使用舊的、過時的大型主機。
要獲取更多的可能有助解開謎團的多普勒效應數據則有些棘手。美國航空航天局噴氣推進實驗室的團隊已收集到所有易於找到和使用的無線電數據文件，但維克多·託思和斯拉瓦·圖裡謝夫需要更多的測量數據。在花了一些時間後，他們在美國航空航天局噴氣推進實驗室的導航計算機硬盤和國家空間科學數據中心的檔案中找到了更多數據，甚至在噴氣推進實驗室的樓梯下發現了裝在紙箱內的磁帶。有些文件的保存狀況相當糟糕，在30年的時間內，從一種存儲格式轉換為另一種存儲格式時出現損壞。
為了找到這些文件並使之可用，他們得到了一個非盈利空間倡導組織——“行星協會”——的資金支持。美國航空航天局戈達德太空飛行中心的物理學家克雷格·馬克沃特幫助恢復了損壞的文件，並且使所有多普勒效應數據可以使用。最終，維克多·託思和斯拉瓦·圖裡謝夫獲得了多1倍的可用多普勒測量數據，使“先驅者10”號的軌道數據跨度增加到23年，“先驅者11”號的軌道數據跨度增加到10年以上。
在美國航空航天局噴氣推進實驗室，資深導航員尼爾·莫丁格和約旦·艾利斯對多普勒觀測數據進行了分析。與最初的軌道分析一樣，他們必須考慮任何可能影響信號傳輸的因素，包括地球的自轉、接收天線的位置以及地面和太陽的氣象，還必須考慮探測器能夠發回可用於精確導航的信號的通信方式在過去的時期內(“先驅者10”號是31年，“先驅者11”號是17年)發生的變化。通過他們的完整分析，維克多·託思和斯拉瓦·圖裡謝夫發現，多普勒效應數據在統計上與探測器恆定的減速保持一致，而且隨著時間的推移，其減速值與數據能夠更好地吻合。
如果減速效應隨著時間的推移而逐漸減弱，他們推測，由放射性同位素熱電發生器產生的逐漸衰減的熱量可能是造成這種異常的原因。
為了找到答案，他們邀請了美國航空航天局噴氣推進實驗室的一組工程師，在經驗豐富的航天器熱性能建模專家加里·金塞拉的帶領下，構建了“先驅者10”號和“先驅者11”號的精確熱模型。該團隊最終構建的幾何模型將每個探測器分成3300塊，並整合了有關探測器材料的熱性能的記錄。研究者使用這個模型來顯示熱量是如何在不同部位流動和輻射的，並且根據這些結果，估計了“先驅者”號在飛行過程的不同時間裡熱反衝力的大小。在將模型與“先驅者”號的溫度和電氣讀數對比後，研究者發現，探測器確實受到一定的熱反衝力，相當於輻射超過60瓦的熱量產生的力。按地球的標準來看，這個力非常小，大約與汽車遠光燈發出的光子對汽車的反衝力差不多。研究者發現，一半的力來自放射性同位素熱電發生器產生並從天線背面輻射出的熱量，另一半來自探測器中心電路的電熱。大部分熱量通過探測器背面的散熱窗輻射出去，而散熱窗未與其他部分良好隔熱，因此進一步促進了減速。
研究者還利用多普勒效應數據計算了探測器的熱反衝力，即與探測器飛行軌跡相匹配所需的力。當他們將這個獨立的估算與從探測器模型中得到的結果進行比較時，發現這兩個值的匹配誤差在20%以內。考慮到其中的不確定性，可以認為沒有統計上的明顯差異。在被發現30多年之後，研究者現在終於可以說，“先驅者”號異常沒有奇特的原因：令人費解的減速是由探測器產生的不對稱散熱引起的。
對一些人來說，關於這樣一個長期存在的謎團，這似乎是個令人失望的結論。但是，對這種異常現象的解釋實際上鞏固了“先驅者10”號和“先驅者11”號的歷史地位。這兩個探測器完成了不太可能在短時間內重複的任務：它們對愛因斯坦的重力理論做出了高精度驗證;到達的距離是冥王星與太陽之間距離的2倍;至今仍沒有其他探測器可用於這樣的測試(或出現這種微小的異常)，後來的探測器或是過於依賴推進器，或是沒有連續跟蹤，或是行程不夠遠。“先驅者10”號和“先驅者11”號仍然是迄今導航最精確的深空探測器，並可能在未來的許多年內保持這個稱號。
上述研究還說明了保存數據的重要性。在“先驅者”號探測器的早期任務中，科學家和工程師通常認為媒體比數據更有價值。許多人認為，一旦“有用”的科學和技術信息被提取出來以後，原始數據就毫無價值了。現在，進行數據存儲可能很便宜，但在數據保管方面，仍然存在目光短淺的危險。研究者認為，每個實驗項目都需要制訂明確的計劃，以確保原始觀測數據在未來數十年內仍然可用和可讀。這很可能是研究人員解決下一個令人困惑的謎團的唯一方法。
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