[論文レビュー] Opportunities for Probing Fundamental Gravity with Solar System Experiments

Slava G. Turyshev, Thomas W. Murphy+14 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2009

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、深宇宙レーザー測距やドラッグフリー宇宙船といった新技術を活用して、太陽系実験を用いた相対論的重力の検証を前進させることを提案している。今後の大規模ミッションにより、パラメータ化された後ニュートン的パラメータγの測定精度が10⁻⁷レベルに達する可能性があり、スカラータンスレル理論やダークエネルギーモデルに対する厳密な検証が可能になる。

ABSTRACT

The recent discovery of "dark energy" has challenged Einstein's general theory of relativity as a complete model for our macroscopic universe. From a theoretical view, the challenge is even stronger: general relativity clearly does not extend to the very small, where quantum mechanics holds sway. Fundamental physics models thus require some major revisions. We must explore deeper to both constrain and inspire this needed new physics. In the realm of the solar-system, we can effectively probe for small deviations from the predictions of general relativity: Technology now offers a wide range of opportunities to pursue experiments with accuracies orders of magnitude better than yet achieved. We describe both the relevant theoretical backgrounds and the opportunities for far more accurate solar system experiments.

研究の動機と目的

• 次世代技術を活用した太陽系内での相対論的重力の検証に向けた、高インパクトな機会を特定・推進すること。
• 一般相対性理論と量子力学の不整合性、およびダークエネルギーが及える宇宙論的影響といった、重力に関する根本的ギャップを解消すること。
• 等価原理の破れ、基本定数の変動、逆二乗法則の修正といった、代替重力理論に対する実験的制約を強化すること。
• 宇宙空間用高精度計測機器の技術的成熟を活用し、現在の限界値と比べて桁違いの測定精度向上を実現すること。
• 今後10年間を、宇宙基準の重力実験を通じた基礎物理学分野における画期的進展の時代とする位置づけをすること。

提案手法

• 1mmの範囲精度を有するトランスポンダを搭載した火星アンカーランドに、地球と間の高精度レーザー測距を用いて、後ニュートン的パラメータγを測定する。
• 月、火星、水星、小惑星などにレーザー・トランスポンダを設置し、高精度の惑星間レーザー回線を実現することで、大気および表面ノイズを最小限に抑える。
• 超安定レーザーと冷却型変位検出器を備えたドラッグフリー宇宙船を用いることで、現在の精度と比べて4桁の改善が達成可能となるγ測定。
• 長基長・低周波数のレーザー干渉計重力波検出器を導入し、スタンダード・サインという重力波源を観測することで、強い場の重力およびダークエネルギーの探査を実現する。
• バルーン、サブオービタル飛行、軌道上プラットフォームを用いた微小重力環境下での弱等価原理の自由落下実験を実施し、精度を2〜5桁向上させる。
• ヘリウム比例推進器、1光子ピコ秒検出器、原子時計といった高度技術を統合し、深宇宙実験における安定性と制御性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 今後の太陽系実験は、後ニュートン的パラメータγの測定精度を10⁻⁷レベルに達成できるか？
• RQ2 高精度レーザー測距は、スカラータンスレル理論が予言するスカラーフィールドの残渣を検出できる程度まで到達できるか？
• RQ3 微小重力環境下での弱等価原理の検証は、一般相対性理論を超える新しい物理を明らかにできるか？
• RQ4 低周波数重力波検出器は、重力の大型スケール修正およびダークエネルギーの探査にどのように寄与するか？
• RQ5 ドラッグフリー制御や超安定レーザーといった高度な宇宙技術は、次世代の相対論的重力検証にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 1mmの精度を持つトランスポンダを搭載した火星アンカーランドを用いれば、火星のチリが主な制限要因となるが、後ニュートン的パラメータγの測定精度を10⁻⁷レベルに達する。
• ドラッグフリー制御とレーザー干渉計を備えた将来的な宇宙ミッションにより、現在の実験精度と比べて4桁の改善が可能となるγ測定が実現される。
• 月や他の天体に設置されたレーザー・トランスポンダは、数十の地上レーザー測距ステーションが参加可能な形で、相対論的重力の検証に貢献でき、データ収集を著しく強化する。
• 月に主要なレーザー送信装置を設置することで、地球の大気制限を緩和し、より高精度な惑星間レーザー回線を実現できる。
• 冷却型微小変位検出器、超安定レーザー、小型イオンエンジンといった技術はすでに宇宙飛行で実証済みであり、今後基礎物理学実験に活用可能である。
• 質量の大きな二重星の合体から発生する重力波のスタンダード・サインを観測することで、宇宙の距離輝度距離をモデルに依存しない形で直接測定でき、ダークエネルギーおよび時空構造に関する新たな制約が得られる。