[論文レビュー] Optical Design for the Laser Astrometric Test of Relativity

Slava G. Turyshev, Michael Shao+1 more|ArXiv.org|Feb 25, 2005

History and Developments in Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、太陽の近くでの重力による光の屈折と太陽系間隔スケールでのシャピロ時間遅れを測定することで、一般相対性理論を画期的な精度で検証することを目的とした宇宙空間光学干渉計ミッション、Laser Astrometric Test of Relativity (LATOR) を提案している。2つのマイクロサタライトと国際宇宙ステーション（ISS）間のレーザー測距を用いて、Eddingtonパラメータγを10^9分の1の精度で決定し、Cassiniの結果を30,000倍も高い感度でスカラータンスール重力効果を探索する。

ABSTRACT

This paper discusses the Laser Astrometric Test Of Relativity (LATOR) mission. By using a combination of independent time-series of highly accurate gravitational deflection of light in the immediate proximity to the Sun along with measurements of the Shapiro time delay on the interplanetary scales (to a precision respectively better than $10^{-13}$ radians and 1 cm), LATOR will significantly improve our knowledge of relativistic gravity. The primary mission objective is to i) measure the key post-Newtonian Eddington parameter $γ$ with accuracy of a part in 10$^9$. $(1-γ)$ is a direct measure for presence of a new interaction in gravitational theory, and, in its search, LATOR goes a factor 30,000 beyond the present best result, Cassini's 2003 test. Other mission objectives include: ii) first measurement of gravity's non-linear effects on light to $\sim$0.01% accuracy; including both the traditional Eddington $β$ parameter and also the spatial metric's 2nd order potential contribution (never been measured before); iii) direct measurement of the solar quadrupole moment $J_2$ (currently unavailable) to accuracy of a part in 200 of its expected size; iv) direct measurement of the ``frame-dragging'' effect on light by the Sun's rotational gravitomagnetic field to one percent accuracy. LATOR's primary measurement pushes to unprecedented accuracy the search for cosmologically relevant scalar-tensor theories of gravity by looking for a remnant scalar field in today's solar system. The key element of LATOR is a geometric redundancy provided by the laser ranging and long-baseline optical interferometry. We discuss the mission and optical designs of this proposed experiment.

研究の動機と目的

• Eddingtonパラメータγを10^9分の1の精度で測定することで、重力の純粋なテンソル計量的性質を検証し、Cassini2003年の結果を30,000倍の感度で上回る。
• 光の伝播における重力の非線形効果を約0.01%の精度で測定し、従来測定されていなかった2次空間計量ポテンシャル寄与を含む。
• 太陽の四極モーメントJ₂をその予想値の200分の1の精度で直接測定し、現在の観測的ギャップを解消する。
• 太陽の回転に起因する重力的磁気的「フレーム・ドレーニング」効果を1%の精度で検出することで、回転に起因する重力効果を探索する。

提案手法

• 2つのマイクロサタライトとISS上に設置されたビーコン局との間で長基線光学干渉計測距を実施し、幾何的冗長性を確保するとともに、正確な基線長を決定する。
• 狭帯域フィルタ、コロナグラフ光学、およびヘテロダイン検出を用いて、太陽の背景光を抑制し、太陽縁付近での信号取得を可能にする。
• ISSの軌道運動を活用して基線の投影を変化させ、静的干渉計システムに一般的に見られるフレアム・アンビギュイティ問題を解消する。
• μg加速度計を用いてISS構造由来の振動を低減し、安定した干渉計測定を実現する。
• Space Interferometry Mission（SIM）で開発された既存の飛行実証済み光学技術に依存することで、迅速なミッション開発と高い信頼性を実現する。
• 地球の大気圏上空で運用することで、大気によるastro metricノイズを回避し、地上観測システムでは達成できない高精度測定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Eddingtonパラメータγを10^9分の1の精度で測定可能か。これは、一般相対性理論のテンソル計量構造に対する、これまでで最も厳密な検証となるか。
• RQ2 太陽重力場内での光屈折に及ぼす2次非線形寄与を約0.01%の精度で測定可能か。これは、標準的後ニュートン理論を超える効果を明らかにするか。
• RQ3 太陽の四極モーメントJ₂を0.5%の精度で直接測定可能か。これは、太陽系モデルにおける現在の不確実性を解消するか。
• RQ4 太陽の回転に起因する重力的磁気的フレーム・ドレーニング効果を1%の精度で検出可能か。一般相対性理論が予測する回転に起因する重力効果を確認できるか。
• RQ5 宇宙論的進化に起因する余剰スカラーフィールドが検出可能か。これは、純粋なテンソル重力からの逸脱を示し、スカラータンスール理論を支持する証拠となるか。

主な発見

• LATORミッションは、Eddingtonパラメータγを10^9分の1の精度で測定可能であり、これはCassini2003年の測定結果を30,000倍も向上させる。
• 太陽重力場内での2次非線形光屈折項が約0.01%の精度で測定可能であり、これはこの効果の初めての直接観測を可能にする。
• 太陽の四極モーメントJ₂は、その予想値の200分の1の精度で直接測定可能であり、現在の観測的不確実性を解消する。
• 太陽の回転に起因するフレーム・ドレーニング効果が1%の精度で測定可能であり、重力的磁気の新規な検証を提供する。
• 幾何的冗長性とレーザー干渉計に依存する光学設計により、フレアム・アンビギュイティが排除され、太陽周辺で高精度のastro metryが可能になる。
• ISSを安定なプラットフォームとして利用し、高度な光学技術を組み合わせることで、LATORは技術成熟度が確認された既存技術を活用したMedium Explorer（MIDEX）クラスのミッションとして実現可能である。