[論文レビュー] A Conventional Physics Explanation for the Anomalous Acceleration of Pioneer 10/11

Louis K. Scheffer|ArXiv.org|Aug 22, 2001

Astro and Planetary Science被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、パイオニア10号・11号の宇宙船で観測された異常加速度が、RTG、RHU、電気系、フィード放射を含む船内熱源からの非等方的熱放射に起因すると提案している。時間変動する出力と放射方向性を考慮したモデルは、観測された加速度傾向を妥当に再現しているが、IとIIIの期間間で加速度が9%減少するのを9%過大予測しており、これは通常の物理学が大部分を説明している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Anderson, et al., find the measured trajectories of Pioneer 10 and 11 spacecraft deviate from the trajectories computed from known forces acting on them. This unmodelled acceleration can be accounted for by non-isotropic radiation of spacecraft heat. Various forms of non-isotropic radiation were proposed by Katz, Murphy, and Scheffer, but Anderson, et al. felt that none of these could explain the observed effect. This paper calculates the known effects in more detail and considers new sources of radiation, all based on spacecraft construction. These effects are then modelled over the duration of the experiment. The model provides a reasonable fit to the acceleration from its appearance at a heliocentric distance of 5 AU to the last measurement at 71 AU, but overpredicts by 9% the decrease in acceleration between intervals I and III of the Pioneer 10 observations. (For comparison, the two different measurements of the effect (SIGMA and CHASMP) themselves differ by 4% in interval III.) In any case, by accounting for the bulk of the acceleration, the proposed mechanism makes it much more likely that the entire effect can be explained without the need for new physics.

研究の動機と目的

• パイオニア10号・11号の異常加速度を、非等方的熱放射という従来の物理学によって説明すること。
• 既知の重力的力の予測と観測された軌道ずれの乖離を解消すること。
• RTG、RHU、フィード放射を含む、見過ごされた熱放射効果が観測された加速度を説明できるかどうかを検証すること。
• 時間依存の出力と放射方向性を組み込んだことで、先行モデルを改善すること。
• 残りの乖離がモデリング誤差や考慮されていない系のずれに起因するかどうかを評価すること。

提案手法

• RTGの熱（直接および反射）・RHU・電気的電力損失（BUS）・アンテナを避けるフィード放射の4つの主な熱放射源のモデリング。
• 放射性同位体電源の時間的減衰と、宇宙船の姿勢や幾何学的形状に応じた変化する熱放射パターンの組み込み。
• 効果的推力が太陽方向反対側に向けられた全出力の割合として計算される放射推力モデルを用い、各出力源ごとに係数を調整。
• 加速度を計算する微分方程式の適用：$ a(t) = \frac{1}{c \cdot m} \left[ \epsilon_{RHU} \cdot RHU(t) + \epsilon_{RTG} \cdot RTG(t) + \epsilon_{FEED} \cdot RADIO(t) + \epsilon_{BUS} \cdot BUS(t) - K_{SOLAR} \cdot SOLAR(t) \right] $、ここで$ c$は光速、$ m $は宇宙船の質量。
• 1987年から1998年までのパイオニア10号のデータにモデルをフィットさせ、データを3つの期間（I、II、III）に分け、SIGMAおよびCHASMPの軌道解法と比較。
• 効率$ \epsilon_{RHU}=0.5 $、$ \epsilon_{RTG}=0.0108 $、$ \epsilon_{FEED}=0.1 $、$ \epsilon_{BUS}=0.35 $、$ K_{SOLAR}=0.3 $の5パラメータのフィットを用いて、観測された加速度傾向に一致させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既知の宇宙船システムからの非等方的熱放射が、パイオニア10号・11号の異常加速度を説明できるか？
• RQ2 時間変動する熱出力と放射方向性が、5 AUから71 AUにかけての加速度の発生と変化を説明できるか？
• RQ3 観測ではIとIIIの間で加速度が3%減少するのに対し、モデルでは9%減少すると予測されるが、その理由は何か？
• RQ4 モデル予測とデータの乖離が、統計的不確実性またはモデリングの限界に起因するのか、それとも新しい物理学を示唆するのか？
• RQ5 熱放射効果がパイオニア10号・11号の加速度が類似していること、そしてスピン速度に顕著に影響しないことをどの程度説明できるか？

主な発見

• モデルは5 AUから71 AUにかけての異常加速度を妥当に再現しており、大きさと発生タイミングの両方で観測傾向と一致している。
• モデルはI期間からIII期間にかけて推力が11.8%減少すると予測しているが、観測データではわずか3%の減少にとどまっているため、9%の過大予測となっている。
• 9%の乖離は、SIGMAとCHASMPの測定値の差を統計的不確実性とみなした場合、約2.25標準偏差に相当し、モデルが完全に正しい可能性は約2%まで低下する。
• モデルは、通常の物理学を用いて異常加速度の大部分を説明できており、新しい物理学が要請される可能性は極めて低い。
• モデルはパイオニア10号・11号が類似したが完全に同一ではない加速度を示す理由を説明でき、また対称的な放射トルクのためスピン速度に顕著な影響を与えないことも説明できる。
• 機器の熱と本体コンpartmentの熱に別々の効率を導入することで、1.75標準偏差のより良い適合が可能になるが、これにはモデルの複雑化と詳細な電力損失データの必要が生じる。