[論文レビュー] Lunar Laser Ranging Contributions to Relativity and Geodesy

Juergen Mueller, J. G. Williams+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2005

Planetary Science and Exploration参考文献 6被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、相対論的重力の検証および測地測定の向上に用いられる高精度な道具としての月レーザー測距（LLR）をレビューする。LLRが~2 cmのフィット後残差を達成し、等価原理、重力定数Gの時間変動、および代替重力理論に対する厳密な検証を可能にしていることが示され、現在のデータでは一般相対性理論からの逸脱は検出されていない。

ABSTRACT

Lunar laser ranging (LLR) is used to conduct high-precision measurements of ranges between an observatory on Earth and a laser retro-reflector on the lunar surface. Over the years, LLR has benefited from a number of improvements both in observing technology and data modeling, which led to the current accuracy of post-fit residuals of ~2 cm. Today LLR is a primary technique to study the dynamics of the Earth-Moon system and is especially important for gravitational physics, geodesy and studies of the lunar interior. LLR is used to perform high-accuracy tests of the equivalence principle, to search for a time-variation in the gravitational constant, and to test predictions of various alternative theories of gravity. On the geodesy front, LLR contributes to the determination of Earth orientation parameters, such as nutation, precession (including relativistic precession), polar motion, and UT1, i.e. especially to the long-term variation of these effects. LLR contributes to the realization of both the terrestrial and selenocentric reference frames. The realization of a dynamically defined inertial reference frame, in contrast to the kinematically realized frame of VLBI, offers new possibilities for mutual cross-checking and confirmation. Finally, LLR also investigates the processes related to the Moon's interior dynamics. Here, we review the LLR technique focusing on its impact on relativity and give an outlook to further applications, e.g. in geodesy. We present results of our dedicated studies to investigate the sensitivity of LLR data with respect to the relativistic quantities. We discuss the current observational situation and the level of LLR modeling implemented to date. We also address improvements needed to fully utilize the scientific potential of LLR.

研究の動機と目的

• 月レーザー測距（LLR）の現在の状態と、相対論的重力の検証および測地パラメータの改善に与える科学的影響を評価すること。
• より高精度なLLR結果を妨げるモデリングおよび観測上の制限要因を特定すること。
• データモデリング、ステーション配置、機器の改善を提案し、LLRの科学的潜在能力を最大限に引き出すこと。
• 新しい月面トランスポンダーおよび反射器が、精度の向上および将来的な深宇宙測距を可能にする可能性を評価すること。
• LLRを用いた動的な慣性基準フレームの構築を支援し、運動論的VLBIフレームを補完すること。

提案手法

• 35年分のLLRデータを用い、フィット後残差が~2 cmの精度で、相対論的および測地的効果を分析する。
• 相対論的効果（例えば、相対論的歳差やスピン-軌道結合）に特徴的な周波数を特定するためにスペクトル解析を適用する。
• 地球および月の重力場、潮汐変形、大気圧負荷、惑星の摂動を高度にモデリングする。
• 専用の感度研究およびパラメータ相関解析を用いて、LLRが相対論的パラメータにどれほど感度を持つのかを評価する。
• LLRモデリングへのIERS 2003規則およびIAU 2000意思決定の統合を提案し、一貫性および精度の向上を図る。
• 信号強度とデータカバレッジの向上を目的として、月面への新しいルーチン反射器およびアクティブトランスポンダーの展開を提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LLRの相対論的効果（例えば、等価原理やGの時間変動）に対する現在の感度はどの程度か？
• RQ2 月の軌道における長期的および周期的効果はLLRデータにどのように現れ、その検出可能な周期は何か？
• RQ3 LLR測距においてミリメートルレベルの精度を達成するために、どのようなモデリングの改善が必要か？
• RQ4 系統誤差を低減し、パラメータの決定を向上させるために、LLRステーションの配置をどのように最適化できるか？
• RQ5 新しい月面トランスポンダーや反射器が、測地学、ナビゲーション、および基礎物理学の分野で果たす役割は何か？

主な発見

• LLRは現在、約2 cmのフィット後残差精度に達しており、相対論的重力の高精度な検証を可能にしている。
• 分析において一般相対性理論からの逸脱は検出されておらず、等価原理の破れや重力定数Gの時間変動に対する強い実験的制約が得られている。
• スペクトル解析により、相対論的歳差やスピン-軌道結合といった相対論的効果に特徴的な周期が明らかになった。
• LLRデータを用いて、弱い形および強い形の等価原理が高精度で検証された。
• ミリメートルレベルの精度に到達するためには、地球および月の重力場、潮汐、相対論的トルクのモデリングの改善が不可欠である。
• 月面への新しいルーチン反射器またはトランスポンダーの設置により、データ品質が著しく向上し、ミリメートルレベルの測距が可能になるとともに、将来的な太陽系内航行および測地学の支援が可能になる。