[論文レビュー] Solar Mass Loss, the Astronomical Unit, and the Scale of the Solar System

Peter D. Noerdlinger|ArXiv.org|Jan 24, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 47被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、太陽質量損失（~9.13×10⁻¹⁴ M☉/yr と推定）が、惑星の軌道を拡大させ、公転周期を延長する一方で、現在の定義下では天文単位（AU）が対数的に収縮する必要があることを探る。AUの安定性を保つために、太陽質量の基準値に基づくAUの再定義、あるいはガウスの重力定数の調整を提案する。この研究は、エフェマリスの精度やaxion放射、重力定数の変動に関する制約に影響を与える。

ABSTRACT

The radiative and particulate loss of mass by the Sun, -9.13*10^-14 Solar masses per year or more causes the orbits of the planets to expand at the same rate, and their periods to lengthen at twice this rate. Unfortunately, under the present definition of the Astronomical Unit (AU) based on the fixed Gaussian gravity constant kGS = 0.01720209895 (AU)^1.5/day, the value AUmet of the AU in meters must decrease at 1/3 this rate, all these rates being expressed logarithmically. The progress of the planets along their orbits slows quadratically with time. For example, in one century Mercury would lag behind the position predicted using constant solar mass by almost 1.4 km, in two centuries 5.5 km. The value of AUmet can be made constant by redefining it, based on a reference solar mass unit, such as the solar mass at J2000; else, the solar Gaussian gravity constant kGS used in defining the AU could be redefined proportional to the square root of the solar mass. Improved accuracy of the ephemerides would impose useful bounds on losses due to axion emission (Sikivie 2005). With no axion emission the Earth's semi-major axis grows 1.37 m/cy; with the maximum allowable such emission the result is 1.57 m/cy. Under reasonable assumptions about alternate gravity theories, radar delay data are used to show that the effect of a changing Newtonian gravity constant is negligible.

研究の動機と目的

• 太陽質量損失が惑星の軌道拡大および周期延長に与える力学的影響を検討すること。
• 現在の天文単位（AU）の定義が、太陽質量損失に起因してAUmetが対数的に減少することを分析すること。
• 安定したAU値を維持するために、AUまたはガウスの重力定数（kGS）の代替定義を提案すること。
• ラジオ遅延およびエフェマリスデータを用いて、axion放射および代替重力理論を制約すること。
• 変動するニュートンの万有引力定数が太陽系力学に与える影響を評価すること。

提案手法

• 軌道力学を用いて、太陽質量損失に起因する軌道拡大および周期延長の割合を導出する。
• 対数的変化率を適用して、現在のAU定義下でのAUmet収縮を定量化する。
• 太陽質量の基準値（例：J2000における太陽質量）に基づいてAUを再定義することで、その値の安定化を提案する。
• AUの安定性を維持するために、太陽質量の平方根に比例する形でガウスの重力定数kGSを再定義することを提言する。
• 変動するニュートン定数の影響を制限するために、ラジオ時間遅延データを分析する。
• 改良されたエフェマリスを用いて、予測された軌道拡大と観測限界を比較することで、axion放射を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽質量損失は、惑星の軌道拡大速度および周期延長にどのように影響するか？
• RQ2 なぜ現在の天文単位（AU）の定義が、太陽質量損失にもかかわらずAUmetが対数的に減少するのか？
• RQ3 基準太陽質量を用いたAUの再定義、またはガウスの重力定数の調整によって、AUを安定化させられるか？
• RQ4 ラジオ遅延データは、ニュートン定数の変動をどの程度まで制限できるか？
• RQ5 予想される地球の長半径の変化に基づいて、太陽質量損失はaxion放射にどの程度の制約を課すか？

主な発見

• 太陽質量損失 ~9.13×10⁻¹⁴ M☉/yr は、惑星の軌道を同じ割合で拡大させ、周期をその2倍の割合で延長する。
• 現在のAU定義下では、AUmetは太陽質量損失の1/3の割合で対数的に減少し、明確な軌道遅延が生じる。
• 太陽質量損失に起因する軌道遅延により、水星は1世紀で約1.4 km、2世紀で約5.5 km遅れる。
• axion放射がない場合、地球の長半径は1.37 m/cy 増加し、最大axion放射下では1.57 m/cy まで増加する。
• ラジオ遅延データは、変動するニュートン定数が太陽系力学にほとんど影響しないことを示している。
• 改良されたエフェマリスは、軌道進化の精密測定を通じて、axion放射および代替重力理論を制約できる。