[論文レビュー] Gravity Probe C(lock) - Probing the gravitomagnetic field of the Earth by means of a clock experiment

Frank Gronwald, Eleonora Gruber+2 more|ArXiv.org|Dec 11, 1997

Geophysics and Sensor Technology参考文献 6被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、時計実験を用いて地球の重力磁気場を直接検出することを目的とした宇宙ミッション「Gravity Probe C(lock)」を提案する。前向き軌道と後向き軌道の二つの原子時計における固有時間の差を比較することで、1周あたり約2×10⁻⁷秒の測定可能な時間ずれを予測し、最近発見された大きな重力磁気的時計効果を活用する。

ABSTRACT

We outline a mission with the aim of directly detecting the gravitomagnetic field of the Earth. This mission is called Gravity Probe C. Gravity Probe C(lock) is based on a recently discovered and surprisingly large gravitomagnetic clock effect. The main idea is to compare the proper time of two standard clocks in direct and retrograde orbits around the Earth. After one orbit the proper time difference of two such clocks is predicted to be of the order of $2 imes 10^{-7}$ s. The conceptual difficulty to perform Gravity Probe C is expected to be comparable to that of the Gravity Probe B--mission.

研究の動機と目的

• 軌道上での高精度時計実験を用いて、地球の重力磁気場を直接検出すること。
• 一般相対性理論が予測する重力磁気的時計効果の存在と大きさを検証すること。
• Gravity Probe Bミッションと類似した概念的および技術的課題に取り組むこと。
• 反対方向の軌道を回る時計における大きな重力磁気的時間ずれの理論的予測を検証すること。
• 地球の重力場におけるフレーム・ドレーニング効果を調べるための実現可能な実験的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 地球の周りの円形で赤道の軌道に、同一の原子時計を二つ配置し、一方を前向き（前進）方向、他方を後退方向に回す。
• 地球の回転とその重力磁気場に起因する相対論的時間差を生じる重力磁気的時計効果を活用する。
• 1回の完全な軌道周回後に二つの時計の固有時間の差を測定する。
• 一般相対性理論の式を用いて時間ずれをモデル化し、主要寄与は重力磁気ポテンシャルに起因する。
• すべての既知の相対論的および古典的摂動を補正し、重力磁気信号を分離する。
• 予想される2×10⁻⁷ sの時間ずれを解像できるだけの安定性を有する高精度原子時計を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球の重力磁気場は、軌道上での時計ベースの実験によって直接測定可能か？
• RQ2 フレーム・ドレーニングに起因する、前向きと後退方向の軌道を回る時計間の固有時間差の大きさはどの程度か？
• RQ3 地球の重力場内における重力磁気的時計効果は、他の相対論的時間ずれと比べてどう異なるか？
• RQ4 このような時計実験を実現するにあたり、技術的および概念的課題は何か。それらはGravity Probe Bミッションの課題とどのように類似しているか？
• RQ5 1周あたり約2×10⁻⁷ sの予測された時間ずれは、現在の原子時計技術で実験的に測定可能か？

主な発見

• 重力磁気的時計効果は、反対方向に1周回る二つの時計間で、約2×10⁻⁷秒の固有時間差を予測する。
• この時間ずれは、地球の回転に起因するフレーム・ドレーニングに起因する、時計の運動と地球の重力磁気場との相互作用に起因する。
• この効果はかつて予想されたよりも顕著で、実験的検出に向けた有望なターゲットである。
• Gravity Probe C(lock)の概念的難易度は、Gravity Probe Bミッションと同等であると推定される。
• 十分な安定性と同期が達成されれば、現在の原子時計技術で実験が可能である。
• 予想される時間ずれは、宇宙空間における最新鋭の高精度計時システムで測定可能であるほど十分に大きい。