[論文レビュー] RadioAstron gravitational redshift experiment: status update

Д. А. Литвинов, U. Bach+26 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、地球の重力場を通過する際の人工衛星の超安定Hマーサ信号の周波数シフトを測定することで一般相対性理論を検証するRadioAstron重力赤方偏移実験について報告している。地上の電波望遠鏡と精密なドップラー追跡を用いて、相対的精度は$4 \times 10^{-4}$に達した。2016年までに$2.5 \times 10^{-5}$まで向上する見込みであり、これは1976年のGP-Aミッションをほぼ10倍の精度で上回る。

ABSTRACT

A test of a cornerstone of general relativity, the gravitational redshift effect, is currently being conducted with the RadioAstron spacecraft, which is on a highly eccentric orbit around Earth. Using ground radio telescopes to record the spacecraft signal, synchronized to its ultra-stable on-board H-maser, we can probe the varying flow of time on board with unprecedented accuracy. The observations performed so far, currently being analyzed, have already allowed us to measure the effect with a relative accuracy of $4 imes10^{-4}$. We expect to reach $2.5 imes10^{-5}$ with additional observations in 2016, an improvement of almost a magnitude over the 40-year old result of the GP-A mission.

研究の動機と目的

• 従来の実験よりも高い精度で一般相対性理論が予測する重力赤方偏移効果を検証すること。
• 重力赤方偏移式のずれを測定することで、等価原理の破れを探る。
• RadioAstron人工衛星の高離心率軌道を活用し、重力ポテンシャルの差を最大化すること。
• 40年前のGP-Aミッションの結果を、強化された時計安定性と繰り返し観測を用いてほぼ10倍の精度に改善すること。
• 深宇宙のHマーサ信号と地上の電波望遠鏡を組み合わせることで、高精度な相対論的実験の実現を検証すること。

提案手法

• 衛星の8.4 GHzダウンリンク信号を、搭載された超安定Hマーサと同期させた二重方向および一重方向ドップラー追跡を用いる。
• 周波数シフトは、例えばグリーン・バンク、エフェルスブルク、オンサラなどの地上電波望遠鏡および専用追跡施設（プシチノ、グリーン・バンク）を用いて測定され、PRIDEソフトウェアフレームワークを介してデータ処理が行われる。
• ドップラー効果、電離圏および対流圏遅延、時計のずれなどの他の効果から重力赤方偏移を正確に分離するため、精密なモデル化と交互に測定する技術が用いられる。
• 時計の不安定性、大気ノイズ、軌道誤差、残存バイアスを含む誤差予算を用いて、系統的およびランダム誤差を定量化する。
• 重力赤方偏移は$\Delta f / f = (\Delta U / c^2)(1 + \varepsilon)$としてパラメータライズされ、$\varepsilon$は一般相対性理論の破れを定量化する。
• 2015年10月から12月にかけての6回の実験データが分析され、30回の独立測定により$\Delta f / f$の不確実性が$8 \times 10^{-15}$まで低下すると予想される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最新の宇宙機搭載Hマーサと地上のVLBIネットワークを用いて、1976年のGP-Aミッションを上回る精度で重力赤方偏移効果を測定できるか？
• RQ2 RadioAstronミッションの高離心率軌道を活用した重力赤方偏移の測定により、等価原理のテストで達成可能な精度はどの程度か？
• RQ3 大気および時計関連の系統的誤差は、深宇宙電波追跡における相対論的周波数シフト測定にどのように影響するか？
• RQ4 交互に測定する技術は、一重方向ドップラー追跡におけるノイズ低減と安定性向上にどの程度寄与するか？
• RQ5 地上電波望遠鏡と専用追跡施設の組み合わせは、相対論的実験において従来の追跡システムと同等またはそれ以上の結果をもたらすことができるか？

主な発見

• RadioAstronの追跡施設からのデータを用いて、重力赤方偏移の測定で相対的精度$4 \times 10^{-4}$を達成した。
• 高品質な地上電波望遠鏡（例えばエフェルスブルク、オンサラ）からのデータは、完全な処理後、精度を$8 \times 10^{-5}$まで向上させると予想される。
• 全実験の予想される精度$2.5 \times 10^{-5}$は、GP-Aミッションの結果をほぼ10倍の精度で上回る。
• 8.4 GHzダウンリンク信号の周波数安定度は1000秒間で$2 \times 10^{-14}$に達し、高精度測定の要件を満たしている。
• 誤差予算によると、$\Delta f / f$におけるランダム誤差と系統的誤差はそれぞれ$4 \times 10^{-14}$および$2 \times 10^{-15}$のレベルであり、1回の実験において評価された。
• 2016年夏に計画されている最も感度の高い実験では、重力赤方偏移の変調が最大$3 \times 10^{-10}$に達すると予想され、信号対雑音比を最大化する。