[論文レビュー] Is the physics within the Solar system really understood?

Cláus Lämmerzahl, O. Preuss+1 more|ArXiv.org|Apr 11, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 52被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、太陽系における未解明の異常——パイオニア異常、フレーバイ異常、増加する天文単位、四重極／八重極の整列、およびダークエネルギー／ダークマター——を調査し、一般相対性理論および標準的宇宙論を超える新しい物理を検証するため、パイオニアミッションの体系的データ再分析、将来のフレーバイ飛行の継続的追跡、および時計比較実験を提案する。

ABSTRACT

A collection is made of presently unexplained phenomena within our Solar system and in the universe. These phenomena are (i) the Pioneer anomaly, (ii) the flyby anomaly, (iii) the increase of the Astronomical Unit, (iv) the quadrupole and octupole anomaly, and (v) Dark Energy and (vi) Dark Matter. A new data analysis of the complete set of Pioneer data is announced in order to search for systematic effects or to confirm the unexplained acceleration. We also review the mysterious flyby anomaly where the velocities of spacecraft after Earth swing--bys are larger than expected. We emphasize the scientific aspects of this anomaly and propose systematic and continuous observations and studies at the occasion of future flybys. Further anomalies within the Solar system are the increase of the Astronomical Unit and the quadrupole and octupole anomaly. We briefly mention Dark Matter and Dark Energy since in some cases a relation between them and the Solar system anomalies have been speculated.

研究の動機と目的

• 太陽系における未解明の現象が、現在の重力理論の妥当性に挑戦しているかどうかを評価すること。
• パイオニアやフレーバイ効果のような異常が、系統的誤差ではなく未知の物理的メカニズムに起因する可能性があるかどうかを調査すること。
• 既存データの曖昧さを解消し、新しい物理を検出するための標的型観測キャンペーンを提言すること。
• 太陽系の異常とダークエネルギー・ダークマターのような宇宙論的現象との関連を探索すること。
• 将来の深宇宙ミッションにおける、正確な追跡と搭載時計の同期を含む、改善されたデータ収集プロトコルの推進を提言すること。

提案手法

• パイオニア10号および11号の全ドップラー追跡データを再分析し、系統的効果を検出するか、異常加速度を確認する。
• 速度および位置に依存する項を含む修正された運動方程式を用いてフレーバイ異常をモデル化し、$ \frac{GM}{c^2 r^2} \dot{r}^i $ および $ \frac{GM}{c^2 r^2} (\mathbf{r} \cdot \dot{\mathbf{r}}) \frac{r^i}{r} $ の項を含む。
• 2系統ドップラー追跡を用いて、宇宙船の速度および距離を高精度で測定し、微小な異常加速度の検出を可能にする。
• 将来の地球重力スイングバイを継続的かつ高精度に追跡することを提言し、搭載時計と全状態ベクトル測定を含む。
• 地上の原子時計と天体時計を比較し、計測メトリックまたは重力場の異常を示す可能性のある時計ずれを探索する。
• 修正された運動方程式のエネルギー非保存性を評価し、異常な速度変化を説明する可能性のある役割を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パイオニア10号および11号の宇宙船が示す異常加速度は、既知の熱的反動力で完全に説明可能であるのか、それとも新しい物理を示唆するのか？
• RQ2 標準重力理論ではエネルギー保存が破れない条件下で、地球スイングバイ後に一貫した速度増加を生じる物理的メカニズムは何か？
• RQ3 100年あたり約10メートルの増加率を示す天文単位の増加は、実在の物理的効果であるのか、惑星エフェメリスにおける系統的バイアスに起因するのか？
• RQ4 宇宙マイクロ波背景放射の低次の多重極（low-l multipoles）が、太陽系の角運動量と統計的に有意に整列しているか？これは未知の大規模構造効果を示唆するか？
• RQ5 フレーバイ異常とパイオニア異常は、運動方程式における同一の修正重力項によって記述可能か？

主な発見

• パイオニア異常は、$ (8.74 \pm 1.33) \times 10^{-10} \, \text{m/s}^2 $ の一定した内向きの加速度として特徴づけられ、従来の力では説明できない。
• フレーバイ異常は、地球の重力スイングバイ後に宇宙船が約$ 10^{-4} \, \text{m/s} $ の一貫した速度増加を示すが、標準モデルでは説明できない。
• 天文単位は、約100年あたり10メートルの割合で増加していると観測されており、太陽系スケールの定常的変化を示唆している。
• 宇宙マイクロ波背景放射の四重極および八重極成分は、太陽系の角運動量と異常な整列を示しており、統計的等方性に挑戦している。
• $ \frac{GM}{c^2 r^2} \dot{r}^i $ および $ \frac{GM}{c^2 r^2} (\mathbf{r} \cdot \dot{\mathbf{r}}) \frac{r^i}{r} $ の項を含む修正された運動方程式は、地球付近での速度依存加速度を生じさせることで、フレーバイ異常を原則として記述可能である。
• 修正された力学はエネルギーを保存しないため、その背後にある理論は、標準的一般相対性理論やニュートン力学を超える新しい枠組みを必要としている可能性がある。