[論文レビュー] Gravitomagnetic effects

Matteo Luca Ruggiero, Angelo Tartaglia|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2002

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 83

ひとこと要約

この論文は、アインシュタインの一般相対性理論における弱場近似に基づく重力磁気的効果の理論的基盤と実験的展望をレビューし、レンス＝シルリング予プレッションや重力磁気的時計効果を含むフレーム・ドラッグ効果に焦点を当てる。重力探査機B やガリレオ衛星システムにおける高精度時刻測定といった現代の宇宙機関および地上実験を用いた、これらの微弱な相対論的現象の検出可能性を評価し、技術の進歩により、いくつかの重力磁気的効果が今後測定可能になる可能性があると結論づける。

ABSTRACT

This paper contains a review of the theory and practice of gravitomagnetism, with particular attention to the different and numerous proposals which have been put forward to experimentally or observationally verify its effects. The basics of the gravitoelectromagnetic form of the Einstein equations is expounded. Then the Lense-Thirring and clock effects are described, reviewing the essentials of the theory. Space based and Earth based experiments are listed. Other effects, such as the coupling of gravitomagnetism with spin, are described and orders of magnitude are considered to give an idea of the feasibility of actual experiments.

研究の動機と目的

• アインシュタインの一般相対性理論の弱場近似から導かれる重力電磁気的（GEM）理論的枠組みをレビューすること。
• 特にレンス＝シルリング予プレッションと重力磁気的時計効果を含む重力磁気的効果の実験的検証可能性を評価すること。
• フレーム・ドラッグ効果および信号伝播異常を検出するため、重力探査機B や将来のガリレオミッションのデータを含む宇宙および地上実験を評価すること。
• 現在または近い将来の技術で測定可能なかを判断するために、さまざまな重力磁気的効果のオーダーを分析すること。
• スピン、超伝導体、テスト質量における重力磁気的場の量子的および巨視的相互作用を検討し、実験的潜在能力を評価すること。

提案手法

• 弱場・低速度近似における線形化されたアインシュタイン場方程式から、重力電磁気的（GEM）方程式を導出する。
• GEM形式を用いて、回転する質量が重力磁気的場を生成し、軌道の歳差を引き起こすレンス＝シルリング効果をモデル化する。
• 回転する重力場におけるSagnac効果への重力磁気的補正および信号伝播遅延（例：シャピロ遅延）を分析する。
• 量子力学的モデル（特に二準位系におけるラビ式を含む）を用いて、固有スピンと重力磁気的場の結合を評価する。
• 信号の大きさ（例：太陽の回転が引き起こす時間遅延で10−10〜10−8秒）と測定精度（例：角速度で10−11）の見積もりにより、実験的妥当性を評価する。
• 既存および計画中のミッション（例：GP-B、ガリレオ）および装置（例：超伝導グレディエンスメータ）がGEM効果を検出可能かどうかをレビューする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力探査機B などのミッションからの人工衛星データを用いて、地球の回転が引き起こすレンス＝シルリング予プレッションを検出できるか？
• RQ2 地球軌道上を回る人工衛星に搭載された高精度原子時計を用いて、Sagnac効果への重力磁気的補正をどの程度測定できるか？
• RQ3 太陽のような回転する質量の周囲を伝わる信号における重力磁気的時間遅延の大きさはどの程度で、現在の電波時刻測定技術で測定可能か？
• RQ4 量子粒子のスピンと地球の重力磁気的場の結合が、量子ゼノ効果のような観測可能な効果を生じるか？
• RQ5 地球軌道における潮汐加速度および重力勾配は、重力磁気的寄与にどのように応答するか。また、超伝導グレディエンスメータで測定可能か？

主な発見

• 地球の重力場に起因するレンス＝シルリング予プレッション率は、約年間3ミリアーカ秒と推定され、高精度な人工衛星データにより検出可能である。
• 地球の回転に起因するSagnac効果への重力磁気的補正は、時計回りと反時計回りの信号で約10−10〜10−8秒の時間遅延差を生じると予測される。
• 太陽の回転に起因するシャピロ遅延の非対称性は、1/6 × 10−10秒から1/6 × 10−8秒の範囲にあり、深宇宙電波追跡技術で測定可能である可能性がある。
• 地球軌道における潮汐加速度への重力磁気的寄与は理論的に有意であるが、他の相対論的効果と同程度の大きさであるため、高精度計測機器がなければ分離は困難である。
• 純粋な超伝導体は、地球の重力磁気的場により残留磁場を発生すると予測され、感度の高い磁気測定法により検出可能である可能性がある。
• スピン1/2系における重力磁気的場のラビ式は、超安定原子系を用いた量子ゼノ効果の実験的探査が可能であることを示唆し、重力磁気的効果の量子的検証に貢献する。