[論文レビュー] A Route to Understanding of the Pioneer Anomaly

Slava G. Turyshev, Michael Martin Nieto+1 more|ArXiv.org|Mar 4, 2005

Computational Physics and Python Applications参考文献 9被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、Pioneer 10および11ミッションの30年間にわたる全データセットを分析することで、Pioneer異常を包括的に解消する道筋を提案する。地球および惑星の最新エフェマリス、およびCassiniのクルーズデータを用いたクロスバリデーションにより、ナビゲーションモデルを改善する。標準重力理論を超える新物理を確認または除外するため、将来的な深宇宙ミッションに10⁻¹⁰ cm/s²の加速度感度を備えることを提唱する。

ABSTRACT

The Pioneer 10 and 11 spacecraft yielded the most precise navigation in deep space to date. However, while at heliocentric distance of $\sim$ 20--70 AU, the accuracies of their orbit reconstructions were limited by a small, anomalous, Doppler frequency drift. This drift can be interpreted as a sunward constant acceleration of $a_P = (8.74 \pm 1.33) imes 10^{-8}$ cm/s$^2$ which is now commonly known as the Pioneer anomaly. Here we discuss the Pioneer anomaly and present the next steps towards understanding of its origin. They are: 1) Analysis of the entire set of existing Pioneer 10 and 11 data, obtained from launch to the last telemetry received from Pioneer 10, on 27 April 2002, when it was at a heliocentric distance of 80 AU. This data could yield critical new information about the anomaly. If the anomaly is confirmed, 2) Development of an instrumental package to be operated on a deep space mission to provide an independent confirmation on the anomaly. If further confirmed, 3) Development of a deep-space experiment to explore the Pioneer anomaly in a dedicated mission with an accuracy for acceleration resolution at the level of $10^{-10}$ cm/s$^2$ in the extremely low frequency range. In Appendices we give a summary of the Pioneer anomaly's characteristics, outline in more detail the steps needed to perform an analysis of the entire Pioneer data set, and also discuss the possibility of extracting some useful information from the Cassini mission cruise data.

研究の動機と目的

• Pioneer 10および11のドップラーデータにおいて20–70 AUの間で観測された、(8.74±1.33)×10⁻⁸ cm/s²の一定した太陽方向加速度である長年のPioneer異常を解消すること。
• 未モデル化された系統的要因（例：熱的リcoil力）か、新物理かの不確実性を、全ミッション期間のデータを分析することで解消すること。
• 更新された地球の向きモデル、惑星エフェマリス、DSN局所位置ソリューションを統合することで、軌道決定の精度を向上させること。
• 初期のマニューバーや長期的な電力減衰を含む、異なるミッションフェーズおよび宇宙船構成における異常の一貫性を検証すること。
• Cassiniのジュピター・土星クルーズ段階のデータが、類似した軌道およびRTG熱的構成を有するため、異常に対するクロスチェックとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 1977年打ち上げから2002年の最終テレメトリまでに得られたPioneer 10および11の全ドップラー追跡データを再分析し、データ期間を11.5年から30年へと延長する。
• 高レートドップラーデータを統合して、スピン速度およびマニューバーのモデル化を改善し、ガス漏れなどの宇宙船由来力と相関する。
• 最新の地球の向きモデル（IERSが採用）および最新の惑星エフェマリスを統合することで、DSN地上局位置の精度を1 cmまで向上させる。
• 延長されたデータ期間を用いて、放射性同位体熱電気転換素子からの指数的減衰シグネチャーを検出できるように、熱的リcoil力モデルを再評価する。
• 太陽への線形距離、宇宙船の速度ベクトル、地球への視線方向に対する異常方向の依存性を分析し、系統的要因と物理的起源を区別する。
• Cassiniの木星・土星クルーズ段階のデータ（類似したRTG構成および軌道を有する）を用いて、類似した異常加速度が観測されるかを検証し、熱的系統的要因のキャリブレーションを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30年間のPioneer全データセットは、約8.7×10⁻⁸ cm/s²の一定した太陽方向加速度の存在を確認するのか、それとも未モデル化された系統的要因に起因するアーティファクトなのか？
• RQ2 異常加速度の方向が正確に特定可能か（例：太陽方向、地球方向、速度ベクトルに沿った方向）により、熱的リcoil力と新物理の区別が可能になるか？
• RQ3 延長されたデータ期間により、異常の時間的・距離的依存性（例：RTG出力の減少と相関する振幅の減衰）が明らかになるか？
• RQ4 Cassiniのクルーズ段階データが、熱的系統的要因のキャリブレーションおよび類似した異常の有無を検証するための独立的検証に使用可能か？
• RQ5 改良された地球および惑星エフェマリス、および更新されたDSN局所モデルは、残差をどれほど低減させ、異常発生源の解明をどの程度明確にするか？

主な発見

• Pioneer 10および11の全データセットの分析により、視線方向に垂直な方向における異常測定の方向感度が、少なくとも1桁向上すると予想される。
• 30年間の延長されたデータ期間により、RTG電源の減衰と関連した時間的依存性のより正確な特定が可能になると予想される。
• 地球の向きおよび惑星エフェマリスの改良モデルは、軌道決定誤差を2桁低減すると予想され、残差解析の精度が向上する。
• 高レートドップラーデータの統合により、宇宙船のスピン速度およびマニューバーのデータキャリブレーションが向上し、ガス漏れや thruster 点火に起因する系統的バイアスが低減される。
• 異常加速度が太陽方向、地球方向、または宇宙船の速度ベクトルに沿った方向を向いているかどうかの特定が可能になる可能性があり、その起源を強く制限する。
• Cassiniのクルーズデータ（まだ完全に分析されていないが）は、重要なクロスチェックを提供する可能性がある：類似した異常が観測されれば、熱的起源を示唆する。一方、観測されなければ、非熱的で、おそらく物理的要因による説明を支持する。