[論文レビュー] Astrometric Solar-System Anomalies

J. D. Anderson, Michael Martin Nieto|ArXiv.org|Jul 14, 2009

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、太陽系における4つの未解明の天測的異常を特定し分析している：地球スライドバイ異常（接近地球飛行時に宇宙船のエネルギーが予期せず変化する現象）、1年周長（AU）の定常的増加（年間15 cm）、ポニエア異常（太陽方向の一定加速度 ~8.74×10⁻⁸ cm/s²）、および月の軌道離心率の未解明な増加（0.9±0.3×10⁻¹¹ yr⁻¹）。著者らは、これらが未知の物理学的要因や系統的誤差に起因する可能性を主張しているが、ポニエア異常については熱放射が最も有力な説明とされている。

ABSTRACT

There are at least four unexplained anomalies connected with astrometric data. Perhaps the most disturbing is the fact that when a spacecraft on a flyby trajectory approaches the Earth within 2000 km or less, it often experiences a change in total orbital energy per unit mass. Next, a secular change in the astronomical unit AU is definitely a concern. It is increasing by about 15 cm yr$^{-1}$. The other two anomalies are perhaps less disturbing because of known sources of nongravitational acceleration. The first is an apparent slowing of the two Pioneer spacecraft as they exit the solar system in opposite directions. Some astronomers and physicists are convinced this effect is of concern, but many others are convinced it is produced by a nearly identical thermal emission from both spacecraft, in a direction away from the Sun, thereby producing acceleration toward the Sun. The fourth anomaly is a measured increase in the eccentricity of the Moon's orbit. Here again, an increase is expected from tidal friction in both the Earth and Moon. However, there is a reported unexplained increase that is significant at the three-sigma level. It is prudent to suspect that all four anomalies have mundane explanations, or that one or more anomalies are a result of systematic error. Yet they might eventually be explained by new physics. For example, a slightly modified theory of gravitation is not ruled out, perhaps analogous to Einstein's 1916 explanation for the excess precession of Mercury's perihelion.

研究の動機と目的

• 宇宙船のスライドバイ軌道における未解明のずれ、特に接近地球飛行時のエネルギー変化を調査すること。
• 約15 cm/年の割合で観測された1年周長（AU）の定常的増加の有意性を評価すること。
• 深宇宙探査機で観測された一定の太陽方向加速度である、恒久的なポニエア異常を分析すること。
• 潮汐散逸モデルを超える、月の軌道離心率の未解明な定常的増加を検討すること。
• これらの異常が、標準重力理論の破綻や新たな物理法則の必要性を示唆しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 地球スライドバイ中のNASAのガリレオおよびNEAR宇宙船のドップラー追跡データを分析し、視線方向速度残差に生じる異常を検出する。
• 近点通過前後でのドップラー残差を比較し、未モデル化された加速度を示す漸近的バイアスを特定する。
• Xバンド（NEAR）およびSバンド（ガリレオ）を用いた高精度の無線追跡により、電離圏および大気のノイズを最小限に抑える。
• 1970年から2008年までの月レーザーレディング（LLR）データを長期にわたり分析し、月の軌道要素の定常的変化を測定する。
• 地球および月における潮汐散逸効果のモデル化を行い、未解明の離心率変動を分離する。
• JPLの軌道決定プログラム（ODP）およびアエロスペース・コーポレーションのCHASMPコードを用いた、ポニエア異常の独立的検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力スラッシュの力学はよく理解されているにもかかわらず、なぜ宇宙船が接近地球飛行時に未解明の軌道エネルギー変化を経験するのか？
• RQ2 年間約15 cmの割合で観測された1年周長（AU）の定常的増加の原因は何か？
• RQ3 太陽方向の一定加速度 ~8.74×10⁻⁸ cm/s² を示すポニエア異常は、熱放射によるものか、新しい重力効果によるものか？
• RQ4 潮汐寄与を超えて、(0.9±0.3)×10⁻¹¹ yr⁻¹ の未解明な定常的増加が見られる月の軌道離心率の原因は何か？
• RQ5 これらの異常は、統合的重力理論の破綻や新たな物理法則の必要性を示唆する可能性はあるか？

主な発見

• ガリレオのスライドバイでは、近点通過後のドップラー残差バイアスが3.78 mm/sに達し、未解明のエネルギー変化を示している。
• NEARのスライドバイでは、より大きな残差バイアス13.51 mm/sが観測され、より顕著な異常を示唆している。
• ポニエア異常は |a_P| = (8.74±1.33)×10⁻⁸ cm/s² として確認されており、太陽方向を向いたもので、熱放射や修正重力の外に明確な説明は見つかっていない。
• 1年周長（AU）は約15 cm/年の割合で増加していると報告されているが、その原因は未解明のままである。
• 月レーザーレディングの結果、潮汐効果を超える異常な離心率増加 (0.9±0.3)×10⁻¹¹ yr⁻¹ が確認され、未モデル化のエネルギー散逸を示唆している。
• RTGからの熱放射は、ポニエア異常の説明として妥当だが、完全には確認されていない。初期推定では、効果のうち6.3%程度が反射熱に起因するとされている。