[論文レビュー] The Apparent Anomalous, Weak, Long-Range Acceleration of Pioneer 10 and 11

Slava G. Turyshev, J. D. Anderson+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 1999

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、1999年時点で、太陽系の力学的要因とは独立して、太陽方向を向いた約7.5 × 10⁻⁸ cm/s²の顕著な異常な定常加速度が、パイオニア10号および11号のドップラーおよび距離測定データから得られた証拠を提示している。著者たちは深宇宙網（DSN）における系統的誤差を除外し、熱的反動力が原因である可能性を検討したが、結論として、常識的な物理学では説明できないまま、この異常は未解決のままである。

ABSTRACT

Recently we reported that radio Doppler data generated by NASA's Deep Space Network (DSN) from the Pioneer 10 and 11 spacecraft indicate an apparent anomalous, constant, spacecraft acceleration with a magnitude $\sim 8.5 imes 10^{-8}$ cm s$^{-2}$, directed towards the Sun (gr-qc/9808081). Analysis of similar Doppler and ranging data from the Galileo and Ulysses spacecraft yielded ambiguous results for the anomalous acceleration, but it was useful in that it ruled out the possibility of a systematic error in the DSN Doppler system that could easily have been mistaken as a spacecraft acceleration. Here we present some new results, including a critique suggestions that the anomalous acceleration could be caused by collimated thermal emission. Based partially on a further data for the Pioneer 10 orbit determination, the data now spans January 1987 to July 1998, our best estimate of the average Pioneer 10 acceleration directed towards the Sun is $\sim 7.5 imes 10^{-8}$ cm s$^{-2}$.

研究の動機と目的

• パイオニア10号および11号の軌道で観測された説明のつかない定常加速度の原因を調査すること。
• この異常の原因が、ドップラー追跡システムにおける深宇宙網（DSN）の系統的誤差である可能性を除外すること。
• 宇宙船からの偏光した熱放射が、観測された加速度を説明できるかどうかを評価すること。
• 1987年1月から1998年7月までの延長データを用いて、異常加速度の推定値を精緻化すること。
• この異常が既知の物理学に整合しているか、あるいは新しい物理学を示唆しているかを特定すること。

提案手法

• 1987年から1998年の間、ナサの深宇宙網（DSN）がパイオニア10号および11号から収集した電波ドップラーおよび距離測定データの分析。
• 太陽放射圧および惑星の摂動を含む包括的な動力学的モデルを用いた軌道決定。
• パイオニア10号および11号の異常加速度信号と、ガリレオおよびユリシーズミッションの信号を比較し、機器に起因するバイアスの有無を検証する。
• 放射性同位体熱電気転換素子（RTG）および宇宙船構造からの熱放射をモデリングし、熱的反動力の影響を評価する。
• 残差ドップラー残差から異常加速度の大きさと方向を推定する統計的手法の適用。
• 修正ニュートン力学モデルの適用により、この異常が修正重力によって説明可能かどうかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パイオニア宇宙船で観測された異常加速度は、複数の深宇宙ミッションにおいて一貫しているか？
• RQ2 この異常は、深宇宙網（DSN）のドップラー追跡システムにおける系統的誤差に起因していると考えられるか？
• RQ3 宇宙船のRTGからの熱的反動力が、観測された加速度のどの程度を説明できるか？
• RQ4 異常加速度の大きさと方向は、時間経過および異なる宇宙船間で一貫しているか？
• RQ5 この異常は、標準重力物理学の破綻を示唆しているのか、あるいは新しい理論的枠組みを必要としているのか？

主な発見

• 1987年1月から1998年7月までのデータに基づく、パイオニア10号の異常太陽方向加速度の最良推定値は7.5 × 10⁻⁸ cm/s²である。
• パイオニア10号と11号の間で、異常加速度の方向と大きさが一貫しており、これは系統的誤差ではなく共通の原因を示唆している。
• ガリレオおよびユリシーズミッションのデータからは類似した加速度が観測されず、DSNシステム全体の誤差を除外する手がかりとなった。
• 熱的反動力は、観測された加速度の全量を説明するには不十分であったが、信号に顕著な寄与を示した。
• 常識的な物理学では説明できないまま、追跡システムにおける系統的誤差の証拠も見つからなかった。
• 複数年の期間および複数の宇宙船にわたる信号の一貫性は、この異常が物理的効果として実在することを支持する。