[論文レビュー] Astrometric detection feasibility of gravitational effects of quantum vacuum

M. Gai, Alberto Vecchiato|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、量子真空重力モデルが予測する約0.23 arcsec/軌道の過剰近点移動を、準拠天体UX25二重星系の測位測定によって検出可能かどうかを検討している。適応光学望遠鏡を用いることで、数年間の基準期間内で、2週間未満の観測時間で3σ検出が可能であると判明した。

ABSTRACT

This work analyzes in some detail the feasibility of testing with astrometric measurements the hypothesis that Quantum Vacuum can have gravitational effects, as suggested in a series of recent papers ([3, 6, 5]). In particular, the possibility of detecting an excess shift of the longitude of the pericenter in the orbit of the trans-neptunian system UX25 and its satellite is investigated. The excess shift which might be experimented by the orbit of the satellite was estimated, under reasonable working hypothesis, to be about 0:23 arcsec per orbit. Several observing scenarios are explored here, including those using conventional and adaptive optics telescopes from ground, and some spaceborne telescopes.

研究の動機と目的

• 最近の理論的研究で提唱された量子真空に起因する重力効果を、測位測定によって検出可能かどうかを評価すること。
• 冥王星外小惑星二重星系UX25の軌道における過剰近点移動の検出可能性を評価すること。
• この検出課題において、適応光学（AO）望遠鏡と従来の地上望遠鏡の性能を比較すること。
• 量子真空誘発歳差の3σ検出に必要な観測時間と信号対雑音比を推定すること。
• 現在または近い将来の機器が、実用的な観測スケール内で明確な検出を達成可能かどうかを特定すること。

提案手法

• 妥当な物理的仮定のもとで、UX25二重星系における量子真空誘発近点移動を約0.23 arcsec/軌道としてモデル化する。
• 5年間の基準期間（約50 arcsecの総歳差）における最小二乗推定法を用いて、測位観測をシミュレートする。
• 2種類の望遠鏡タイプの性能を評価する：AO搭載型（個々の成分を分解可能）と従来型（光重心の運動のみ測定可能）。
• Kバンド運用と8m口径望遠鏡を仮定し、信号対雑音比（SNR）の外挿法を用いて必要な観測時間を推定する。
• 角分解能、光子収率、短波長域での性能劣化などの機器的制限要因を考慮する。
• 自然ガイド星が十分に明るくないため、AO運用を可能にするためにレーザー補助ガイド星システムを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子真空重力が引き起こす約0.23 arcsec/軌道の過剰近点移動は、UX25二重星系の測位測定によって検出可能か？
• RQ2 現在の地上望遠鏡を用いた3σ検出に必要な観測時間と信号対雑音比は何か？
• RQ3 この測定において、適応光学望遠鏡と従来の撮像望遠鏡の性能と実現可能性にはどのような差があるか？
• RQ4 露出時間の要件を考慮すると、ハッブル宇宙望遠鏡は実用的な代替手段として有効か？
• RQ5 数か月の期間にわたり、部分的な夜間を活用したサービスモード観測を用いることで、必要なデータを効果的に蓄積できるか？

主な発見

• UX25系における量子真空誘発近点移動は、約0.23 arcsec/軌道と推定され、長期的測位測定によって検出可能である可能性がある。
• レーザー補助ガイド星を備えた8m口径の適応光学望遠鏡は、Kバンドで合計2週間未満の観測時間で3σ検出を達成可能である。
• 従来の地上望遠鏡は、より小さな光重心運動を解像するための極めて低い測位ノイズが必要なため、実用的でないと判断された。
• ハッブル宇宙望遠鏡は原則的に目的を達成可能だが、必要な露出時間が長いため、実用的実現可能性に懸念が生じる。
• 数年間の期間をかけて累積的に歳差効果を測定することで検出は可能であり、数周期にわたり希な観測でも十分である。
• AO望遠鏡の未利用時間帯を活用したサービスモード観測は、必要なデータ蓄積を達成するための実用的戦略であると示された。