[論文レビュー] On the influence of the global cosmological expansion on the local dynamics in the Solar System

Matteo Carrera, Domenico Giulini|ArXiv.org|Feb 24, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 46被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、宇宙の膨張が太陽系内の局所的力学に影響を及ぼすかどうか、特にパイオネア異常に関連して調査している。ニュートン的および相対論的モデル（McVittie計量および運動論的解析を含む）を用いて、力学的効果は無視できるほど小さい（宇宙論的影響が13桁以上抑制されている）ことが判明した。一方、運動論的効果は理論的には存在するが、観測された約10⁻⁹ m/s²の異常加速度を説明するにはあまりに小さすぎる。

ABSTRACT

In this expository paper we address the question of whether, and to what extent, the cosmological expansion influences the dynamics on small scales (as compared to cosmological ones), particularly in our Solar System. We distinguish between dynamical and kinematical effects and critically review the status of both as presented in the current literature.

研究の動機と目的

• 宇宙のグローバルな膨張が太陽系における局所的重力的力学に影響を及ぼすかどうかを評価すること。
• パイオネア異常と宇宙論的膨張効果を結びつける主張の妥当性を評価すること。
• 宇宙の膨張が束縛系に及ぼす力学的効果と運動論的効果を区別すること。
• ディックとピーブルズが提案したHc型運動論的効果がパイオネア異常の説明として妥当かどうかを批判的に分析すること。
• 一般相対性理論における宇宙論的データ解釈において、局所的非一様性の背後に働く反作用効果の役割を明確にすること。

提案手法

• 球対称な質量が膨張するFRW宇宙に置かれた状況をモデル化するため、McVittie計量を用い、重力的束縛系に対する完全な相対論的取り扱いを可能にした。
• 局所的重力が宇宙論的膨張を上回る境界を特定するため、シュッキング半径形式を適用した。
• 等方的宇宙論的時空における局所的アインシュタイン同時性の運動論的解析を行い、見かけの加速度を評価した。
• ディック＝ピーブルズのHc型運動論的効果に関する議論を再評価し、(v/c)³の抑制因子を同定した。
• 理論的予測を観測されたパイオネア異常（約10⁻⁹ m/s²）と比較し、妥当性を評価した。
• 現在の理論的および観測的状況を文脈化するために、80件を超える文献を体系的にレビューした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙のグローバルな膨張が、太陽系内の惑星や宇宙船の軌道運動に測定可能な力学的効果を及ぼす可能性はあるか？
• RQ2 宇宙の膨張に起因する運動論的効果が、局所的慣性系において見かけの加速度を引き起こす程度はどの程度か？
• RQ3 パイオネア異常の説明として提案されたHc型運動論的効果は、相対論的力学と整合的か？
• RQ4 局所的非一様性の反作用効果は、宇宙論的観測の解釈にどのように影響を与えるか？
• RQ5 太陽系の力学における宇宙論的影響の定量的大きさは、観測されたパイオネア異常と比べてどの程度か？

主な発見

• 宇宙の膨張が太陽系に及ぼす力学的効果は無視できるほど小さい。パイオネア異常の10⁻⁹ m/s²のレベルよりもはるかに小さい。
• McVittie計量は、シュッキング半径内では、局所的力学がグローバルな膨張の影響を受けないことを確認しており、真空中の解がシュバルツシルト型のままである。
• 運動論的効果は存在するが、(v/c)³の抑制因子により、パイオネア宇宙船では13桁以上抑制され、Hc型効果は著しく小さくなる。
• したがって、運動論的効果に起因する見かけの加速度は、パイオネア異常を説明するには小さすぎるため、このメカニズムは主因として排除される。
• 本論文は、宇宙の膨張が局所的力学に顕著な影響を及ぼさない一方で、非一様性の反作用効果が宇宙論的観測の解釈に与える影響は、一般相対性理論において未解決の根本的問題のまま残っていると結論づける。
• 文献レビューにより、合意の欠如が浮き彫りになり、局所的およびグローバルなデータの解釈において、非摂動的かつより厳密な非一様宇宙論の取り扱いの必要性が強調された。