[論文レビュー] Laser Ranging to the Moon, Mars and Beyond

Slava G. Turyshev, J. G. Williams+4 more|ArXiv.org|Nov 16, 2004

Planetary Science and Exploration参考文献 59被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、相対性理論的重力の高精度な検証および深宇宙探査を目的とした次世代の光レーザー測距アーキテクチャを提案する。既存および新興のレーザー技術を活用することで、太陽系間測距においてセンチメートル〜ミリメートルレベルの精度を達成する。月面および火星レーザー測距、および提案されたLATORミッションが、同時に宇宙航行の向上と、等価原理、ジオデシック歳差、重力定数Gの潜在的変動といった基本的物理学の検証を可能にする仕組みを提示する。

ABSTRACT

Current and future optical technologies will aid exploration of the Moon and Mars while advancing fundamental physics research in the solar system. Technologies and possible improvements in the laser-enabled tests of various physical phenomena are considered along with a space architecture that could be the cornerstone for robotic and human exploration of the solar system. In particular, accurate ranging to the Moon and Mars would not only lead to construction of a new space communication infrastructure enabling an improved navigational accuracy, but will also provide a significant improvement in several tests of gravitational theory: the equivalence principle, geodetic precession, PPN parameters $β$ and $γ$, and possible variation of the gravitational constant $G$. Other tests would become possible with an optical architecture that would allow proceeding from meter to centimeter to millimeter range accuracies on interplanetary distances. This paper discusses the current state and the future improvements in the tests of relativistic gravity with Lunar Laser Ranging (LLR). We also consider precision gravitational tests with the future laser ranging to Mars and discuss optical design of the proposed Laser Astrometric Test of Relativity (LATOR) mission. We emphasize that already existing capabilities can offer significant improvements not only in the tests of fundamental physics, but may also establish the infrastructure for space exploration in the near future. Looking to future exploration, what characteristics are desired for the next generation of ranging devices, what is the optimal architecture that would benefit both space exploration and fundamental physics, and what fundamental questions can be investigated? We try to answer these questions.

研究の動機と目的

• 月および火星へのレーザー測距を用いて、相対性理論的重力の高精度な検証を進める。
• 宇宙探査と基礎物理学の両方を支援する多目的光学通信・測距アーキテクチャを開発する。
• センチメートル未塔の精度で実現可能な太陽系間レーザー測距の実現可能性と科学的潜在能力を評価する。
• 重力理論の検証のための次世代プラットフォームとして、レーザー天体測距相対性検証（LATOR）ミッションを提唱する。
• 太陽系内における将来のレーザー測距システムに必要な主な技術的およびアーキテクチャ的要件を特定する。

提案手法

• 主に月面レーザー測距（LLR）を含む既存のレーザー測距インfraを活用し、重力理論の検証を向上させる。
• 火星距離での運用が可能な光学トランスポンダーシステムを設計し、当初は月でテストを実施する。
• 2機の宇宙船間でレーザー天体測距を用いることで、相対論的効果を高精度に測定するLATORミッションを提唱する。
• 深宇宙光学通信および測距に適した、高安定性・狭帯幅・高い空間コherエンス性とビーム品質を有する lasers を実装する。
• 振動分離および高精度指向制御技術を統合し、太陽系間距離でのノイズの多い背景でも信号受信を可能にする。
• Kaバンドおよびそれ以上の周波数帯の無線追跡を、光学システムの性能とデータレートの優位性のベンチマークとして活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月および火星へのレーザー測距は、等価原理およびジオデシック歳差の検証をどのように向上させ得るか？
• RQ2 重力定数Gの潜在的変動を検出するには、どの程度の測距精度が必要か？
• RQ3 太陽系間レーザー測距でセンチメートル〜ミリメートルレベルの精度を達成するには、どのような光学システムアーキテクチャが必要か？
• RQ4 航行用に設計されたレーザーコミュニケーションシステムが、基礎物理学実験のプラットフォームとしてどのように機能できるか？
• RQ5 月面および火星表面へのレーザートランスポンダの展開に必要な技術的および工学的要件は何か？

主な発見

• 月面レーザー測距は、既に等価原理およびPPNパラメータβとγの制約を含む、相対性理論的重力の高精度な検証を可能にしている。
• 将来的な火星へのレーザー測距は、ジオデシック歳差および重力定数Gの検証を、桁違いに向上させ得る。
• 提案されたLATORミッションは、光の屈折および時間遅延といった相対論的効果を10^-15の相対的精度で測定することを目的としている。
• LIGOおよびLISAで使用される10.6 μm波長の光学通信システムは、10^-22未塔の長さ分解能を達成でき、重力波検出が可能である。
• レーザーコミュニケーションは、数Gbpsオーダーのデータレートを実現し、現在のRFシステムを大きく上回り、正確な航行制御および姿勢制御を可能にする。
• 月面または国際宇宙ステーション（ISS）に設置された多目的光学アーキテクチャは、深宇宙探査および基礎物理学実験の基盤としての役割を果たす可能性がある。