[論文レビュー] On some critical issues of the LAGEOS/LAGEOS II Lense-Thirring experiment

Lorenzo Iorio|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2007

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、LAGEOS/LAGEOS II Lense-Thirring実験における系統的誤差推定の信頼性に疑問を呈し、個々の重力モデルの共分散行列（σJℓ）ではなく、重力モデル間の差分（ΔJℓ）を用いることで、特にJ4およびJ6に関して、系統的バイアスの推定値が25–43％にまで上昇することを示している。これにより、先行研究の信頼性が揺らがされる。地球のゾーン調和関数における不確実性が低く見積もられていることが原因である。

ABSTRACT

In this paper we deal with the following issues concerning the LA-GEOS/LAGEOS II Lense-Thirring test. Are the so far published evaluations of the systematic bias due to the even zonal harmonics Jℓ of the Earth’s geopotential reliable and realistic? Can we trust in the so far unique test made? Are there other ways to extract the gravitomagnetic signal from the LAGEOS/LAGEOS II data? The answer to the first question is negative. Indeed, if the difference ∆Jℓ among the estimated values of different Earth gravity models is assumed for the uncertainties δJℓ in the even zonals instead of using their more or less calibrated covariance sigmas σJℓ, it turns out that the systematic error δµ in the Lense-Thirring measurement is quite larger than in the evaluations so far published based on the use of the sigmas of one model at a time separately, amounting up to 37−43 % for the pairs GGM01S/GGM02S and EIGEN-GRACE01S/EIGEN-GRACE02S. The comparison among more recent models yields bias as large as about 25%. The major discrepancies still occur for J4 and J6, which are just the zonals the combined LAGEOS/LAGOES II nodes are most sensitive to.

研究の動機と目的

• LAGEOS/LAGEOS II Lense-Thirring実験における系統的誤差推定の信頼性、特に地球の偶数ゾーン調和関数（Jℓ）に起因するものについて評価すること。
• 公表済みの重力ゾーン調和関数に起因するバイアス評価が現実的であるか、あるいは楽観的すぎるのかを調査すること。
• 現在の単一モデル共分散アプローチが、重力磁気信号測定における系統的不確実性を低く見積もっているかどうかを特定すること。
• LAGEOS/LAGEOS II データから重力磁気信号をより良い誤差推定で抽出するための代替手法を検討すること。
• 最近の地球重力モデル間の差異が、Lense-Thirring効果の最終測定に与える影響を評価すること。

提案手法

• GGM01S、GGM02S、EIGEN-GRACE01S、EIGEN-GRACE02S などの複数の重力モデルにおける地球のゾーン調和関数（Jℓ）の推定値を比較し、個々のモデル共分散行列 σJℓ に依存するのではなく、差分 ΔJℓ を不確実性推定値として算出すること。
• 標準的な単一モデルからの σJℓ ではなく、Lense-Thirring測定における系統的誤差限界 δµ として ΔJℓ 差分を用いること。
• LAGEOS/LAGEOS II の軌道ノードに対するJ4およびJ6の感度を分析し、これが系統的バイアスの主な寄与要因であることを特定すること。
• ΔJℓ の不確実性を軌道摂動モデルに伝搬させることで、Lense-Thirring信号における系統的誤差 δµ を定量化すること。
• 異なるモデルペア間でのバイアス推定値の整合性を評価し、誤差限界の妥当性を検証すること。
• これらの見直し誤差推定値が、Lense-Thirring効果検出における全体の信頼性に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LAGEOS/LAGEOS II Lense-Thirring実験における系統的誤差は、個々のモデル共分散行列（σJℓ）を用いて信頼性高く推定できるのか、それともこのアプローチは楽観的すぎるのか？
• RQ2 独立した重力モデル間の差分（ΔJℓ）が、Lense-Thirring測定における系統的不確実性推定にどのように影響するか？
• RQ3 J4およびJ6が、組み合わせたLAGEOS/LAGEOS II ノードデータにおいて高い感度を示す以上に、系統的バイアスにどの程度寄与しているのか？
• RQ4 重力磁気信号を、モデル内共分散ではなくモデル間差分を用いることで、より信頼性高く抽出できるか？
• RQ5 σJℓ ではなく ΔJℓ を不確実性限界として用いた場合、Lense-Thirring測定における系統的誤差の大きさはどの程度になるか？

主な発見

• 重力モデル間の差分 ΔJℓ を不確実性推定値として用いることで、単一モデル共分散に基づいた従来の評価と比べて、はるかに大きな系統的誤差が得られる。
• J4およびJ6に対して ΔJℓ を用いると、Lense-Thirring測定における系統的誤差 δµ は、以前の推定値と比較して37–43％にまで上昇する。
• 最近のモデル間で最も顕著な差異を示すJ4およびJ6の差分が、バイアスに最も大きな寄与をしており、これが不確実性予算における主な要因であることを確認した。
• より最近のモデルを用いても、系統的バイアスは約25％に留まり、依然として誤差推定における課題が残っていることを示している。
• 現在の単一モデル共分散行列（σJℓ）に依存するアプローチは、真の系統的不確実性を低く見積もっており、唯一の公表済みのテストの信頼性に疑問を呈する。
• これらの結果から、地球のゾーン調和関数における未考慮の不確実性が原因で、Lense-Thirring信号測定の正確性は以前の主張ほど高くない可能性がある。