[論文レビュー] General relativity and quintessence explain the Pioneer anomaly

J. P. Mbelek|ArXiv.org|Jul 6, 2004

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、Pioneerの異常——電波信号に観測された定常なブルーシフト——が、実際の加速度ではなく、時間に依存する重力ポテンシャルに起因すると提案している。このポテンシャルは、エネルギー密度が時間とともに変化する、いわゆるクインテッセンスと呼ばれるダークエネルギーの一種に起因する。一般相対性理論において、このポテンシャルは観測データと整合する周波数シフトを引き起こし、アインシュタインの等価原理を保ちつつ、弱い場の極限における一般相対性理論の妥当性を裏付ける自然な説明を提供する。

ABSTRACT

The anomalous time depending blueshift, the so-called "Pioneer anomaly", that was detected in the radio-metric data from Pioneer 10/11, Ulysses and Galileo spacecraft may not result from a real change of velocity. Rather, the Pioneer anomaly may be understood within the framework of general relativity as a time depending gravitational frequency shift accounting for the time dependence of the density of the dark energy when the latter is identified with quintessence. Thus, instead of being in conflict with Einstein equivalence principle, the main Pioneer anomaly appears merely as a new validation of general relativity in the weak field and low velocity limit.

研究の動機と目的

• 新物理を導入せず、等価原理を破らずに長年のPioneerの異常を解消すること。
• 観測された定常的なブルーシフトが、実際の加速度ではなく、時間に依存する重力ポテンシャルに起因する可能性を検討すること。
• 時間変化するエネルギー密度をもつクインテッセンスが、光の周波数に影響を及ぼす重力ポテンシャルを生成する役割を調査すること。
• 進化するダークエネルギーに起因する相対論的周波数シフトによって、一般相対性理論と整合する形で異常を再解釈すること。
• 異常が実際の力や抵抗を示すものだと仮定するのではなく、幾何学的で一般相対性理論に基づく説明を提示すること。

提案手法

• クインテッセンスというスカラー場としてのダークエネルギーの時間的エネルギー密度変化に起因する時間に依存する重力ポテンシャルをモデル化する。
• 一般相対性理論の弱い場・低速度近似を適用し、この時間に依存するポテンシャルが引き起こす重力的周波数シフトを導出する。
• 観測された異常な周波数ドリフトを、ポテンシャルの時間微分と関連づけ、関係式 $ \frac{d(\Delta\nu/\nu)}{dt} = \frac{a_P}{c} $ を用いる。ここで $ a_P \approx 8.74 \times 10^{-8} \, \text{cm/s}^2 $ である。
• クインテッセンスのエネルギー密度の時間的変化が自然に、観測された定常的な周波数ドリフトを再現するポテンシャルの時間微分を生み出すことを示す。
• Hubble定数 $ H_0 $ を用いて、ポテンシャルの時間的変化を宇宙論的ダークエネルギーのダイナミクスと結びつける。
• この効果がアインシュタインの等価原理に整合するのは、動的な加速度ではなく重力赤方偏移効果であるためである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pioneerの異常は、実際の加速度ではなく、重力的周波数シフトとして説明可能か？
• RQ2 クインテッセンスに起因する時間に依存する重力ポテンシャルが、Pioneerデータの観測された定常的周波数ドリフトを再現できるか？
• RQ3 この説明は一般相対性理論およびアインシュタインの等価原理と整合的か？
• RQ4 なぜ異常は外太陽系では一定に見えるが、10 AU以内では小さくなるのか？これは外部要因で説明可能か？
• RQ5 このモデルは、宇宙定数よりもクインテッセンスをダークエネルギーの源として好むのか？

主な発見

• Pioneerの異常は、実際の加速度ではなく、エネルギー密度が時間とともに変化するクインテッセンスに起因する時間に依存する重力ポテンシャルに起因する。
• 観測された周波数シフト率 $ \sim 6 \times 10^{-9} \, \text{Hz/s} $ は、$ a_P = 8.74 \times 10^{-8} \, \text{cm/s}^2 $ と整合する重力的ブルーシフトに一致し、観測された異常と一致する。
• クインテッセンスのエネルギー密度の時間的変化から導かれるポテンシャルの時間微分は、自然に観測された定常的周波数ドリフトを生み出す。
• この説明は一般相対性理論と完全に整合しており、アインシュタインの等価原理に反しない。
• 異常は10 AU未満で小さくなるが、著者らはこれは宇宙船の質量損失や太陽風のダスト捕集に起因すると説明する。モデルの失敗とは見なされない。
• このモデルは、時間変化するダークエネルギー成分が必要なポテンシャルの時間的変化を生み出すために、宇宙定数よりもクインテッセンスを好む。