[論文レビュー] Testing MOND/TEVES with LISA Pathfinder

C. Trenkel, Steve Kemble+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2010

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、太陽-地球ラグランジュ点L1の鞍部に位置するLISAパスファインダー・ミッションを用いて、修正ニュートン力学（MOND）の理論であるTeVeS（テンソル-ベクトル-スカラー）理論をテストすることを提案している。MONDが予測する異常な重力勾配を検出するため、ミッションがL1点を通過する。もしミッションのグラディオメータが規定性能を達成すれば、これらの信号を検出・特徴付けられる。一方、信号が検出されない場合、TeVeS/MOND理論は強く疑われる。

ABSTRACT

We suggest that LISA Pathfinder could be used to subject TEVES, and in particular the non-relativistic MOND phenomenology it incorporates, to a direct, controlled experimental test, in just a few years' time. The basic concept is to fly LISA Pathfinder through the region around the Sun-Earth saddle point, following its nominal mission, in order to look for anomalous gravity gradients. We examine various strategies to reach the saddle point, and conclude that the preferred strategy, resulting in relatively short transfer times of order one year, probably involves a lunar fly-by. We present robust estimates of the MOND gravity gradients that LISA Pathfinder should be exposed to, and conclude that if the gradiometer on-board the spacecraft achieves its nominal performance, these gradients will not just be detected, but measured and characterised in some detail, should they exist. Conversely, given the large predicted signal based on standard assumptions, a null result would most likely spell the end of TEVES/MOND.

研究の動機と目的

• LISAパスファインダー・ミッションを用いて、修正ニュートン力学（MOND）のTeVeS理論に対する直接的・制御可能なテストを提案すること。
• 月のスイングバイ戦略を含めた、約1年以内に太陽-地球L1鞍部に到達可能な実現可能な軌道を評価すること。
• 標準的な仮定のもとで、L1点におけるMOND的重力勾配の大きさを推定すること。
• もし信号が存在する場合、LISAパスファインダーのグラディオメータがその信号を検出・特徴付けられるかどうかを評価すること。
• null検出（信号なし）の結果がTeVeSおよびMONDの妥当性に与える影響を特定すること。

提案手法

• ニュートン的およびMOND的力学を用いて、太陽-地球L1点周辺の重力ポテンシャルおよび勾配をモデル化する。
• 軌道力学を用いてL1点への転送軌道をシミュレートし、燃料効率と所要時間の両面で評価する。
• 転送時間を約1年まで短縮するために、月のスイングバイを優先戦略として組み込む。
• TeVeSに埋め込まれた非相対論的MONDの体系的記述に基づき、予想されるMOND的重力勾配信号を計算する。
• 規定性能を仮定した場合のLISAパスファインダーのグラディオメータの感度を評価し、その信号検出可能性を検討する。
• 予想されるMOND信号と機器ノイズレベルを比較し、検出可能性を判断する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LISAパスファインダーは、太陽-地球L1点でMONDに起因する重力勾配を検出できるか？
• RQ2 月のスイングバイを考慮した場合、1年以内にL1点に到達する最適な軌道は何か？
• RQ3 標準的なTeVeS仮定のもとで、L1点におけるMONDの重力勾配はどの程度の強さか？
• RQ4 LISAパスファインダーのグラディオメータは、潜在的なMOND信号をどの程度の精度で解明・特徴付けられるか？
• RQ5 信号が検出されない場合、TeVeS/MONDフレームワークの有効性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• LISAパスファインダーのグラディオメータが規定性能を達成すれば、太陽-地球L1点におけるMOND的重力勾配信号は検出可能であると予測される。
• 月のスイングバイを用いた軌道は、L1点に約1年で到達可能な実現可能な経路を提供する。
• 予想されるMOND信号は標準仮定のもとで強く、検出に適した強力な候補である。
• 機器が規定性能を達成しているにもかかわらず信号が検出されない場合、TeVeS/MONDフレームワークは強く反証される。
• このミッションは、信号の空間的・方向的特徴を詳細に特徴付けることさえ可能である。
• 本研究は、数年以内にLISAパスファインダーがMOND/TeVeSの直接的・制御可能なテストのための実現可能なプラットフォームであることを確立した。