[論文レビュー] General relativistic model for experimental measurement of the speed of propagation of gravity by VLBI

Sergei M. Kopeikin, Ed Fomalont|ArXiv.org|Jun 7, 2002

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、木星に近接して通過するクェザーからの電波信号の相対論的時間遅れを観測することにより、重力の有限な速度を直接測定するための微分VLBI実験を提案する。この方法は、一般相対性理論が予測する速度に依存する重力遅延効果を検出するもので、最近接通過時に測定可能な5.1 psの時間遅れを生じさせ、重力の伝播速度の10–20%の精度でのテストを可能にする。

ABSTRACT

A relativistic sub-picosecond model of gravitational time delay in radio astronomical observations is worked out and a new experimental test of general relativity is discussed in which the effect of retardation of gravity associated with its finite speed can be observed. As a consequence, the speed of gravity can be measured by differential VLBI observations. Retardation in propagation of gravity is a central part of the Einstein theory of general relativity which has not been tested directly so far. The idea of the proposed gravitational experiment is based on the fact that gravity in general relativity propagates with finite speed so that the deflection of light caused by the body must be sensitive to the ratio of the body's velocity to the speed of gravity. The interferometric experiment can be performed, for example, during the very close angular passage of a quasar by Jupiter. Due to the finite speed of gravity and orbital motion of Jupiter, the variation in its gravitational field reaches observer on Earth not instantaneously but at the retarded instant of time and should appear as a velocity-dependent excess time delay in addition to the well-known Shapiro delay, caused by the static part of the Jupiter's gravitational field. Such Jupiter-QSO encounter events take place once in a decade. The next such event will occur on September 8, 2002 when Jupiter will pass by quasar J0842+1835 at the angular distance 3.7 arcminutes. If radio interferometric measurement of the quasar coordinates in the sky are done with the precision of a few picoseconds (about 5 microarcseconds) the effect of retardation of gravity and its speed of propagation may be measured with an accuracy about 10%.

研究の動機と目的

• 重力の有限な速度を直接実験的にテストすること、これは一般相対性理論の主要な予測の一つであり、これまで直接的にテストされていなかった。
• 木星の運動に起因する、クェザーからの光の偏光に及ぼされる速度に依存する重力遅延効果を検出すること。
• 微分VLBI観測を用いて、重力の速度を10–20%の精度で測定すること。
• データ処理において、プラズマに起因する時間遅れと重力遅延効果を分離・取り扱うこと。
• 時間変化する重力場、特に移動する物体の近隣領域における光の伝播の相対論的モデルを検証すること。

提案手法

• 静的なシャピロ遅れに加え、有限な重力伝播速度に起因する速度に依存する補正を含む一般相対性理論的時間遅れモデルを構築する。
• パrametrized post-Newtonian (PPN)形式を用いて、重力遅延効果を適合パramータ δ = c_g/c − 1 で表現する。ここで c_g は重力の速度を表す。
• 2002年9月8日の木星-クェザー（J0842+1835）合 conjuncti on を適用し、角度的分離は3.7′、影響パラメータは約14 R_J である。
• 遅延に起因する重力的時間遅れ Δ_JPG を最近接通過時に5.1 psと導出する。これは周波数に依存しない。
• プラズマに起因する時間遅れ（電離圏および磁気圏）を、ΔT(s) = 40.4 c^{-1} ν^{-2} N_l の式を用いてモデル化する。ここで N_l は電子密度のべき乗則モデルにより計算される。
• 二重周波数観測（例：2.3 GHz および 8.4 GHz）を用いて、周波数依存性のあるプラズマ遅れと周波数に依存しない重力遅れを分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非常に長い基線干渉計測定法（VLBI）を用いて、重力の有限な速度を実験的に測定できるか？
• RQ2 木星のような移動する巨大質量体によるクェザーからの光の偏光に、遅延重力場に起因する速度に依存する時間遅れが現れるか？
• RQ3 木星-クェザー合 conjuncti on 中の微分VLBI観測を用いて、重力の速度 c_g を10–20%の精度で測定できるか？
• RQ4 地球の電離圏および木星の磁気圏に起因するプラズマ遅れは、重力遅延効果の測定にどのように影響を与えるか？
• RQ5 時間変化する重力場における光の伝播の相対論的モデルは、一般相対性理論の予測をどの程度確認できるか？

主な発見

• 2002年9月8日木星-クェザーイベントにおける最近接通過時、重力遅延効果は5.1 psの時間遅れを生じさせ、これはピコ秒未満の精度を持つVLBIで検出可能である。
• クェザー座標測定が約5 μas（ピコ秒タイミング）の精度に達する場合、重力の速度は10–20%の精度で測定可能である。
• 木星の磁気圏および地球の電離圏に起因するプラズマ遅れは、電子密度モデルに応じて8.0 GHzで2.34 ps（A=0）、0.13 ps（A=1）、0.03 ps（A=2）と推定される。
• 8.0 GHzおよび8.5 GHzでの二重周波数観測により、周波数の二乗に比例するプラズマ遅れを周波数に依存しない重力遅れから分離できる。
• 15 GHzで観測するとプラズマ遅れが4分の1に減少し、汚染が最小限に抑えられるが、感度は低下する。
• 木星の磁気圏における時間変動に対して本手法は頑健であり、長時間にわたって大きな変動が継続する可能性は低く、平均化されるためである。