[論文レビュー] Testing General Relativity with geodetic VLBI: what profit from a single, specially designed experiment?

Oleg Titov, Anastasiia Girdiuk+16 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2018

GNSS positioning and interference参考文献 35被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、1つの特別に設計された測地VLBI実験（2017年5月のAUA020）が、数十年にわたる数千回の標準セッションのグローバル解析を上回る精度で相対論的パラメータγの測定に成功したことを示している。太陽から1–3°離れた2つの強力なクェザーを観測することで、チームはγの精度を10⁻⁵未塔に達し、狙いを定めた高感度観測が、長期的な統計的手法を凌駕または上回ることを実証した。

ABSTRACT

Context. We highlight the capabilities of the geodetic VLBI technique to test General relativity in the classical astrometric style, i.e., measuring the deflection of light in the vicinity of the Sun. Aims. In previous studies, the parameter was estimated by global analyses of thousands of geodetic VLBI sessions. Here we estimate from a single session where the Sun has approached two strong reference radio sources 0229+131 and 0235+164 at an elongation angle of 1-3 degrees. Methods. The AUA020 VLBI session of 1 May 2017 was designed to obtain more than 1000 group delays from the two radio sources. The Solar corona effect was effectively calibrated with the dual-frequency observations even at small elongation from the Sun. Results. We obtained with a precision better than what is obtained through global analyses of thousands of standard geodetic sessions over decades. Current results demonstrate that the modern VLBI technology is capable of establishing new limits on observational test of General Relativity.

研究の動機と目的

• 太陽付近での光の屈折を測定することで一般相対性理論をテストすること。
• 大規模な太陽接近角での観測に起因するγ推定における系統的バイアスを克服すること。
• 小型の太陽接近角における現代のVLBI技術を用いた高精度な相対論的パラメータ推定の実現可能性と精度を評価すること。
• 太陽コロナ効果および対流圏遅延が相対論的遅延測定に与える影響を評価すること。
• 1回の高感度セッションが、長期間にわたるグローバル解よりも優れた精度を達成できることを実証すること。

提案手法

• 2017年5月1日から2日の間に、太陽から1.15°～2.6°離れたクェザー0229+131および0235+164を観測した専用測地VLBIセッション（AUA020）を実施した。
• SバンドおよびXバンドの二重周波数観測を用いて、太陽コロナに起因する群遅延を補正し、電離層および分散効果を最小限に抑えた。
• シャピロ時間遅延式 τ_grav = [(1+γ)GM/c³] × ln(|r₁| + |r₁·s|) / (|r₂| + |r₂·s|) を用いて相対論的光の屈曲をモデル化した。
• 1 Gbpsの高データ記録レートと、大規模で感度の高い電波望遠鏡を用いて、太陽熱雑音の影響を受ける中でも高い信号対雑音比を維持した。
• 高精度な対流圏遅延モデルを適用し、独立した放射計測定データと照合することで、湿った対流圏バイアスを最小限に抑えた。
• 7か所の施設から得られた1,000件以上の群遅延測定値を分析し、γの推定に高い統計的精度を達成した。

Figure 1: Geometry of the AUA020 session network.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1回の高感度VLBIセッションが、数十年にわたる数千回の標準セッションのグローバル解析を上回る精度でPPNパラメータγを測定できるか？
• RQ2 1–3°の小さな太陽接近角での観測は、大きな接近角と比較してγ推定における系統的バイアスを低減するか？
• RQ3 太陽コロナ効果および対流圏遅延は、太陽付近観測における相対論的遅延測定の精度にどの程度制限を及えるか？
• RQ4 強力な電波源と高データレートを用いることで、2°未塔の接近角でも信号対雑音比を維持できるか？
• RQ5 将来的に0.5°程度の接近角を標的とし、15か所の施設を活用した実験で、γの不確実性はどの程度改善可能か？

主な発見

• AUA020セッションは、数十年にわたる数千回の標準測地セッションのグローバル解析で一般的に得られる精度を上回るγの精度を達成した。
• 1回のセッションから得られたγの推定値は、10⁻⁵未塔の不確実性を示し、これまでのVLBIベースの制限を著しく改善した。
• 二重周波数観測を用いたことで、小さな接近角でも太陽コロナ遅延が効果的に補正され、差分遅延は0.1 mm未塔に抑えられた。
• 小規模なコロナ構造に起因するランダム雑音は、静穏な太陽領域を観測したため最小限に抑えられ、高精度な群遅延推定が可能になった。
• 湿った対流圏遅延がγ推定に与える影響は無視できるほど小さく、独立した放射計測定データとの差は3 mm（10 ps）未塔であった。
• 今後の実験で3C 279を0.5°～1.0°の接近角で15か所の施設を用い、1 Gbpsの記録レートを採用すれば、γの不確実性を10倍改善でき、カッシーニ限界に挑戦できるようになると予想される。

Figure 2: Geometry of the radio sources close to the sun at the start (Left) and at the end (Right) of VLBI session AUA020 with respect to a LASCO C2 image of the solar corona (Brueckner et al., 1995 ) . The Sun is hidden behind the occultation disc of the coronagraph, with the white inner circle re