[論文レビュー] Novel Gravity Probe B Gravitational Wave Detection

Reginald T. Cahill|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2004

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 6被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、重力探査衛星B（Gravity Probe B）実験が、新しい重力理論が予測する一般相対性理論（GR）とは異なる、新規の重力波効果を検出可能であると提唱している。この理論は、地球が空間を絶対的線形運動していることによって生じる。理論は、この運動に起因する大きな渦度由来のスピン進化を予測し、重力波によって変調される。その結果、一般相対性理論では説明できない、軌道間の変化を示す特徴的な進化の変動が生じる。これは、絶対的線形運動と一般相対性理論によるその禁止との間にあるパラドックスを解決する可能性を秘めている。

ABSTRACT

The Gravity Probe B (GP-B) satellite experiment will measure the precession of on-board gyroscopes to extraordinary accuracy. Such precessions are predicted by General Relativity (GR), and one component of this precession is the `frame-dragging' or Lense-Thirring effect, which is caused by the rotation of the earth, and the other is the geodetic effect. A new theory of gravity predicts, however, a second and much larger `frame-dragging' or vorticity induced spin precession. This spin precession component will also display the effects of novel gravitational waves which are predicted by the new theory of gravity, and which have already been seen in several experiments. The magnitude and signature of these gravitational wave induced precession effects is given for comparison with the GP-B experimental data.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論とは異なる非計量的重力理論が予測する新規重力波効果が、重力探査衛星B実験で検出可能かどうかを検証すること。
• 一般相対性理論が絶対的回転運動を許容する一方で絶対的線形運動を禁止するという、長年の物理学的パラドックスを解消すること。
• 銀河における観測された「暗黒物質」効果やその他の異常現象が、見えない物質ではなく、空間そのものの動的性質に起因することを示すこと。
• GP-Bデータにおいて、これらの新規重力波を検出するための特徴を提供すること、特にジャイロスコープの進化における軌道間変動を焦点に。
• GP-B実験が、一般相対性理論に存在しない渦度効果を通じて絶対的線形運動に感応できることを示すこと。

提案手法

• 重力を速度場と基盤流体の流れによってモデル化する、新しい非計量的重力理論を用いる。この理論は、地球の絶対的線形運動に起因する渦度を予測する。
• 式（35）に示される渦度由来のスピン進化式を用い、地球の430 km/sの絶対的運動とその変動を計算に組み込む。
• DeWitte同軸ケーブル実験のデータを用いて、基盤流体の流れに起因する重力波効果をシミュレート。RA = 5.2h、Dec = -67°方向の速度変動を測定値として使用。
• 重力波による速度変動を組み込んだ40個のGP-B軌道をシミュレートし、波効果ありとなしの両方で進化を比較。
• 特に、各軌道終了後の非ゼロの残存進化が、一般相対性理論の予測とは相違するという、波誘発進化の特徴を分析。
• 予測された進化シグナルを、GP-Bの0.0005 arcsecの測定精度と照らし合わせ、検出可能性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力探査衛星B実験は、一般相対性理論とは異なる新しい重力理論が予測する新規重力波効果を検出可能か？
• RQ2 地球の絶対的線形運動に起因する渦度が、一般相対性理論のフレームドラッグ効果とは異なる測定可能なスピン進化を生じるか？
• RQ3 重力波の変動によって引き起こされる、軌道間の進化角の変動は、GP-Bデータにおける微小で累積的なLense-Thirring進化と区別可能か？
• RQ4 新しい理論が予測する重力波誘発進化の大きさと特徴は何か？そして、GP-Bの感度範囲内で検出可能か？
• RQ5 渦度効果による絶対的線形運動の検出は、一般相対性理論が回転運動を許容するが線形運動を禁止するというパラドックスをどのように解消するか？

主な発見

• 新しい理論は、地球の絶対的線形運動に起因する渦度由来のスピン進化を予測し、一般相対性理論が予測するLense-Thirring効果よりもはるかに大きい。
• 基盤流体の流れに起因する重力波効果（DeWitte同軸ケーブル実験のデータを用いてモデル化）は、進化角における検出可能な軌道間変動を生じる。
• 予測された進化変動（図8に示す）は、各軌道終了後に非ゼロの残存進化を生じる。これは一般相対性理論には存在しない特徴である。
• 波誘発進化の大きさは顕著であり、430 km/sの絶対的運動速度とその変動を考慮すれば、観測可能な効果のオーダーに達する。
• GP-B実験は、一般相対性理論に存在しない絶対的線形運動に起因する渦度を検出できると予想され、一般相対性理論にない物理的基盤流体の流れの証拠が得られる。
• 結果から、GP-Bは一般相対性理論が絶対的線形運動を許容しないという矛盾を、明確に解消できる可能性があると示唆される。