[論文レビュー] Gravity tests with INPOP planetary ephemerides

A. Fienga, J. Laskar+4 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jun 22, 2009

Astro and Planetary Science被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、INPOP08惑星エフェマリデスを用いて一般相対性理論を検証し、惑星の近日点進動を分析することで太陽の扁平度（J₂）を制約する。火星および金星探査ミッションのマルチ惑星トラッキングデータを用いて、相対論的パラメータβと太陽のJ₂および小惑星帯の影響を相関から分離し、太陽系の惑星運動における一定加速度がパイオニア異常の1/4を超えるものである証拠は得られなかった。

ABSTRACT

In this paper, we present several gravity tests made in using the last INPOP08 planetary ephemerides. We first propose two methods to estimate the PPN parameter $β$ and its correlated value, the Sun J2 and we discuss the correlation between the Sun J2 and the mass of the asteroid ring. We estimate possible advance in the planet perihelia. In the end we show that no constant acceleration larger than 1/4 the Pioneer anomaly can affect the planets of our solar system.

研究の動機と目的

• 高精度な惑星エフェマリデスを用いて、一般相対性理論におけるパラメータ化された後ニュートン的（PPN）パラメータβの検証を行う。
• マルチ惑星トラッキングデータを用いて、PPNパラメータβを太陽の扁平度（J₂）および小惑星帯の摂動から相関を解消する。
• 観測誤差と信号対雑音比を用いて、水星、金星、火星における異常近日点進動の検出可能性を評価する。
• パイオニア異常のような一定加速度が、エフェマリデスに顕著な痕跡を残さずに惑星軌道に影響を与える可能性があるかどうかを評価する。

提案手法

• Mars Express（MEX）、Venus Express（VEX）および他の深宇宙ミッションからのトラッキングデータを統合したINPOP08惑星エフェマリデスを用いる。
• 惑星軌道の同時フィッティングにより、強い相関関係にあるPPNパラメータβと太陽のJ₂を推定する2通りの手法を適用する。
• 24,635個の小惑星の物理的性質に基づき、質量と距離が推定される単一のリングとして小惑星帯をモデル化し、集団的摂動を模擬する。
• 観測角度および距離誤差と比較して、相対論的およびJ₂由来の近日点進動シフトを予測し、信号対雑音比（S/N）を評価する。
• パイオニア異常仮説を検証するため、惑星運動方程式に太陽方向の一定加速度（8.75×10⁻¹⁰ m/s²）を追加し、加速度あり・なしの残差を比較する。
• UranusおよびNeptuneの位置についてフィッティング後の残差解析を実施し、このような一定加速度に起因する未吸収の系的効果を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 βと太陽のJ₂および小惑星帯の影響が相関している状況下でも、PPNパラメータβを信頼性高く推定できるか？
• RQ2 金星および火星のトラッキングデータは、他の惑星と比較して、相対論的および太陽の扁平度効果に対する感度をどの程度向上させるか？
• RQ3 パイオニア異常のような一定加速度は、惑星エフェマリデスのフィッティングプロセスに吸収され得るか、それとも検出可能な残差を残すか？
• RQ4 現在のエフェマリデスモデルおよび観測データに基づいて、太陽系で検出可能な最小の一定加速度はどの程度か？
• RQ5 外惑星（Uranus、Neptune）の動力学的応答は、仮説的な一定加速度に対してどのように変化するか。このような効果はノイズに紛れて隠れ得るか？

主な発見

• 一般相対性理論および太陽のJ₂効果を検出する信号対雑音比は、金星で172、火星で130であり、金星データはこれらのテストにおいて火星データの7倍効率的であることが示された。
• VEXミッションを4年間延長し、1 masのVLBIトラッキングを実施すれば、水星の800メートル精度レーダーランジングと同等の効果が得られ、PPN βおよび太陽のJ₂のテストに有効である。
• パイオニア異常値の4分の1に相当する8×10⁻¹⁰ m/s²の一定加速度は、エフェマリデスのフィッティングプロセスに吸収されず、1930年以降のUranusの赤経に検出可能な残差を残した。
• NeptuneおよびPlutoに関しては、一定加速度の影響がフィッティングプロセスに吸収されたため、外惑星データはこのような信号に対して感度が低いことが示された。
• INPOP08エフェマリデスに、パイオニア異常の1/4を超える一定加速度が太陽系の惑星に影響を与えることは、検出されなかった。
• 太陽のJ₂と小惑星帯質量の相関は顕著であるが、外惑星（例：土星）のデータを用いることで、リングに感応しないがJ₂に感応するため、この相関を解消できる。