A Jupiter és a Szaturnusz vizsgálatára a hetvenes évek elején indított Pioneer-szondákkal már évekkel ezelőtt megszakadt a kapcsolat, helyzetük és mozgásuk azonban a mai napig izgalomban tartja a kutatókat. Az évtizedek során érkezett telemetriai adatok feldolgozása ugyanis érdekes eredményre vezetett: a szondák lassulnak, mégpedig a megmagyarázhatónál nagyobb mértékben. A lassulás mindössze kb. 87 milliárdod m/s másodpercenként, ám éppen elegendő ahhoz, hogy a tudósok felfigyeljenek rá. A sebesség csökkenését sem a Nap, sem a többi bolygó, sem az üzemanyag esetleges szivárgása nem magyarázza. A kérdés a mai napig válaszra vár.

John Anderson, az amerikai Sugárhajtómű Laboratórium (JPL) kutatója kollégáival az elsők között keresett megoldást az úgynevezett Pioneer-anomáliára. A jelenséget először 1988-ban mutatták ki, s azóta dolgoznak a probléma megoldásán, egyelőre megválaszolatlanul hagyva azt. 1990 óta azonban egy újabb anomáliával is foglalkozniuk kell. A Galileo amerikai űrszonda - hogy sebességét eléggé felgyorsítsa - előbb a Vénusz, majd kétszer a Föld mellett haladt el útja során. 1990. december 8-án, a Föld első megközelítésekor a rádiókapcsolatban furcsa eltérést jeleztek a szakemberek, ami a jeleknek, a szonda sebességéből adódó úgynevezett Doppler-eltolódásából volt kimutatható. Az űrszonda a vártnál nagyobb sebességre tett szert, az eltérés pedig közel 4 mm/s volt. Kis sebességkülönbség ez ahhoz, hogy hatással lehetett volna a küldetés sikerére, de elég nagy ahhoz, hogy magyarázatra szoruljon.

A Galileo 1992. december 8-án ismét a Föld mellett haladt el, a kutatók pedig meg akartak győződni arról, csak mérési hiba történt 1990-ben, vagy megismétlődik a jelenség. A mérések szerint a szonda sebessége ekkor a várt növekedésnél kisebb volt, mégpedig körülbelül 4,6 mm/s-mal. A mindeddig legnagyobb hintamanőver során fellépő sebességváltozás a NEAR-Shoemaker kisbolygókutató űrszonda esetében történt. 1998. január 23-án haladt el a Föld mellett, sebessége a számítotton felül még további 13,5 mm/s-mal nőtt.

A hintamanővereknél jelentkező anomáliák esetében a sebesség vártnál kisebb növekedése - mint Anderson rámutatott - bizonyos esetekben magyarázható az érintett bolygó felső légkörének fékező hatásából. Így amikor a Galileo másodszor volt a Föld közelében, a mért eltérés egyik lehetséges oka a légköri fékeződés volt. Ám a sebesség szokatlan növekedésére egyelőre nem találtak még magyarázatot. 2006-ban Claus Lämmerzhal (Brémai Egyetem) és munkatársai a lehetőségek között megvizsgálták az árapályjelenség, a légköri mozgások és a mágneses mező hatását is, ezek azonban elhanyagolható mértékben változtathatják meg az űrszonda sebességét.

Hogy közelebb kerüljenek a magyarázathoz, Anderson és kutatótársai tüzetesen megvizsgálták a hintamanőverben érintett űrszondák sebességváltozását, s a pontosság érdekében csak a valóban igen precízen mérhető, Föld melletti elhaladásokat vették figyelembe. A pályaadatokból igen érdekes következtetésre jutottak: minél kisebb a pályának a Föld egyenlítőjével bezárt szöge, annál kisebb a hintamanőver során észlelt anomália. A felismerés nyomán Andersonék empirikus egyenletet állítottak fel, majd a formulát először az eddigi küldetésekre ellenőrizték. Az adatok behelyettesítése után a NEAR-Shoemaker esetében kapjuk a legnagyobb növekedést, míg a MESSENGER Merkúr-kutató űrszondánál a legkisebbet. Ez jó egyezést mutat a valóságban mért értékekkel, a Merkúr felé tartó űrszonda sebessége a mérések szerint mindössze 0,02 mm/s-mal volt nagyobb a Föld megközelítése után az eredetileg számítottnál. A Rosetta európai üstököskutató űrszonda esetében annak 2007-es és 2009-es Föld közelségére már várható számértékkel is előálltak, ám a 2007-es telemetriai adatokat még ellenőrzi a csoport, a 2009. novemberi alkalomra pedig még várni kell. Egyébként mindkét hintamanőver esetén 1 mm/s-os pluszsebesség-növekedésre számítanak.

Akár beigazolódik Andersonék tapasztalati úton előállított formulájának helyessége, akár el kell vetni, a kérdés, hogy mindezt mi okozza, továbbra is nyitott marad. A newtoni fizikában a gravitációnak nem lehet hasonló hatása. Einstein általános relativitáselméletében a forgó Föld ugyan kismértékben magával ránthatja a téridő szerkezetét, ám e hatás mértéke túl kicsi ahhoz, hogy az anomáliát megmagyarázza. Nem véletlen hát, hogy a magyarázatért a kutatók a még egyébként is pontos leírásra váró más elméleteket kezdték vizsgálni. Így például a kvantumgravitáció még nem teljesen kiforrott elméletét vagy a sötét anyag kérdését tanulmányozták. A rejtélyes mozgást, jelenleg úgy tűnik, talán a sötét anyag feltételezésével lehet a legjobban leírni.

A sötét anyag elmélete 1983-ra nyúlik vissza, amikor a spirálgalaxisokat tanulmányozva kimutatták, hogy azok forgási sebessége túl gyors ahhoz, hogy tömegük összetartsa a galaxist. Ha viszont nem látható, közvetlenül nem mérhető plusz tömeget feltételezünk bennük, akkor azok gravitációja már képes összetartani a csillagvárosokat. Ez a "láthatatlan tömeg" vagy sötét anyag, melyet mindmáig nem mutattak ki közvetlenül. Hatásának azonban számos példáját fedezték fel az Univerzumban. Ha viszont a galaxisokban van sötét anyag (bármi legyen is az), akkor miért ne lenne épp a Naprendszerben? Stephen Adler amerikai elméleti fizikus kiszámította, hogy a sötét anyagnak a Földet hozzávetőleg gyűrű alakban kellene körülvennie ahhoz, hogy a hintamanőverek során észlelt eltéréseket meg lehessen velük magyarázni.

A sötét anyagnak a bolygók körüli felgyülemlése később talán a Pioneer-anomáliára is választ adhat: a szondák sebességében bekövetkező lassulást ugyanis a Jupiter, illetve a Szaturnusz melletti elhaladásokat követően észlelték. Természetesen az is lehet, hogy a Pioneer-szondák lassulása és a hintamanőver-anomália egészen más okokra vezethető vissza. Ahogyan az is igaz, a klasszikus módon nehezen megmagyarázható jelenségek esetén a fizikusok gyakran keresik a rejtélyes sötét anyagban az okokat. Most tehát egyelőre egy dolgot tehetünk: várjuk a Rosetta 2007-es és 2009-es hintamanőverének kiértékelését.

Hintamanőver - új utak a Naprendszerben

Ha űrszondát szeretnénk indítani egy bolygóhoz vagy más égitesthez (kisbolygóhoz, üstököshöz), először is le kell győznünk a Föld gravitációs erejét, vagyis az űreszközt a második kozmikus sebesség (11,2 km/s) fölé kell gyorsítani. A Merkúr és Vénusz meglátogatásához az űrszonda (Nap körüli) sebességét lassítani, a Mars, a kisbolygók és az óriásbolygók közeli vizsgálatához pedig gyorsítani kell. Egy-egy bolygó közvetlen megközelítéséhez gyakran igen sok üzemanyagra van szükség, amit az űrszondával együtt kell pályára állítani, s ez a felbocsátáshoz szükséges hordozórakéta méreteit (és persze az árát) olykor drasztikusan megnöveli.

Mike Minovitch, az amerikai Sugárhajtómű Laboratórium (JPL) munkatársa 1961-ben elsőként írta le a bolygóközi küldetések megvalósításához ma már rutinszerűen alkalmazott úgynevezett hintamanőverek lehetőségét. Az űrszonda a hintamanőverben nem saját üzemanyaga elégetésével változtatja meg a sebességét, hanem azzal, hogy égitestek mellett halad el. A jelenleg a Szaturnusz körül keringő amerikai Cassini előbb elhaladt a Vénusz, a Föld, majd a Jupiter mellett is. Ha az űreszköz a bolygó haladási iránya szempontjából annak "hátsó" féltekéjénél halad el, akkor az mintegy "magával rántja", s ezzel megnöveli sebességét. A hatás fordítva is alkalmazható: ha a szonda a bolygó előtt halad el, akkor annak gravitációja csökkenti a sebességét.