[論文レビュー] Tests of general relativity in the solar system

Serge Reynaud, Marc-Thierry Jaekel|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 9被引用数 11

ひとこと要約

本稿は太陽系における一般相対性理論の実験的検証をレビューし、原子時計、電波科学、レーザー測距を用いた高精度測定に焦点を当てる。パイオニア異常は一般相対性理論からの逸脱の可能性を示唆するものであり、量子センサーや向上した追跡システムを含む先進的なミッション設計と技術が、一般相対性理論の計量拡張を検証し、異常を解明するために提案されている。

ABSTRACT

Tests of gravity performed in the solar system show a good agreement with general relativity. The latter is however challenged by observations at larger, galactic and cosmic, scales which are presently cured by introducing "dark matter" or "dark energy". A few measurements in the solar system, particularly the so-called "Pioneer anomaly", might also be pointing at a modification of gravity law at ranges of the order of the size of the solar system. The present lecture notes discuss the current status of tests of general relativity in the solar system. They describe metric extensions of general relativity which have the capability to preserve compatibility with existing gravity tests while opening free space for new phenomena. They present arguments for new mission designs and new space technologies as well as for having a new look on data of existing or future experiments.

研究の動機と目的

• 原子時計や電波科学などの高精度計器を用いた太陽系における一般相対性理論の検証の現状を評価すること。
• パイオニア異常を太陽系スケールにおける新物理または修正重力の兆候として調査すること。
• 一般相対性理論からの逸脱に高い感度を持つ次世代ミッションの概念と技術を提案すること。
• 既存の検証と整合性を保ちつつ、新たな現象を許容する一般相対性理論の理論的拡張を探ること。
• パイオニアデータの再分析および新たな宇宙ベースの実験を提唱し、異常発生の原因に関する不確実性を解消すること。

提案手法

• 月のレーザー測距、惑星探査機の追跡、原子時計の比較から得られる既存のデータを活用し、等価原理の破れや基本定数の不変性の違反を制限する。
• パラメータ化された後ニュートン的（PPN）形式を用いて、一般相対性理論からの逸脱を定量化し、特にパラメータγとηに注目する。
• 距離rおよびr²に依存する項を含む計量の摂動δg₀₀およびδ(g₀₀gᵣᵣ)のモデル化を通じて、観測された加速度を再現する方法でパイオニア異常を分析する。
• アップグレードされた加速度計および量子センサを備えた、パイオニア異常探査機やオデュッセイミッションなどの新規ミッション設計を提案する。
• 電波測距およびレーザー測距といった高度な追跡技術に加え、高精度な搭載時計を統合し、系統誤差を低減し信号検出を向上させる。
• 将来の天体測位ミッション（例：GAIA）の活用を奨奨し、重力の偏光や径方向依存性を検出できる計量パラメータの角度的または径方向依存性をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パイオニア異常は、熱放射に起因する系統誤差によるものか、あるいは新しい重力効果によるものか？
• RQ2 パイオニア異常は、太陽系の検証と整合性を保ちつつ、計量一般相対性理論の拡張を許容する上でどのような意味を持つのか？
• RQ3 量子センサーや向上した追跡システムを備えた将来的なミッションは、異常な重力と機器的要因をどのように区別できるか？
• RQ4 パラメータ化された後ニュートン的形式は、一般相対性理論からのγおよびηパラメータの逸脱をどの程度まで制限できるか？
• RQ5 GAIAのようなミッションの天体測位データは、太陽からの角度距離に依存するγの空間的変動（例：γの角度依存性）を検出できるか？

主な発見

• 実験室および月のレーザー測距実験により、等価原理の破れパラメータηは10⁻¹²未満に制限され、自由落下の普遍性が支持されている。
• 原子時計の比較により、周波数比の変化が年間数×10⁻¹⁶以内にとどまることを確認し、基本定数の顕著な変化がないことが示された。
• 理論的モデリングにより、δg₀₀に線形的r依存性がある場合、またはδ(g₀₀gᵣᵣ)にr²依存性がある場合に、パイオニアに類似した信号が生じることが示された。両者は明確な観測的特徴を持つ。
• 回収されたパイオニア10および11のテレメトリおよびドップラーデータの再分析が可能となり、異常発生の時期、方向、時間依存性の解明が期待される。
• オデュッセイミッションのような提案されたミッションは、次世代の量子センサを用いて重力場の両成分を高精度でマッピングすることを目的としている。
• GAIAミッションは、重力の偏光を高精度でグローバルにマッピングする予定であり、γパラメータの角度的または径方向の変動を用いた計量異常テストが可能になると予想される。