[論文レビュー] The Brute-Force Search for Planet Nine

Scott Lawrence, Zeeve Rogoszinski|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、地球基準の超長基線干渉計（VLBI）が、惑星9の重力によって引き起こされる横方向の角度変位を検出可能にする、近相対論的宇宙船のフリートを用いたブルートフォース探索を提案する。従来の超高精度な搭載時計を必要とする提案とは異なり、この手法は惑星9に起因する恒久的な横方向速度変化を検出することで、100 AUで5地球質量相当の質量に対しても検出可能であり、1ミリアーキセコンド未塔の角度分解能を達成する。

ABSTRACT

A recent proposal for the detection of a hypothetical gravitating body 500 AU from the Sun (termed Planet 9) calls for a fleet of near-relativistic spacecraft, equipped with high-precision clocks, to be sent to a region where the object is suspected to be. We show that the technological constraints of such a mission can be relaxed somewhat, while improving the sensitivity: high-precision clocks can be avoided when the transverse displacement induced by Planet 9 is measurable with Earth-based, or near-Earth, telescopes. Furthermore, we note that in the absence of Planet 9, these spacecraft still yield useful data by mapping gravitational perturbations in the outer parts of the solar system.

研究の動機と目的

• 超高精度な搭載時計に依存しない、より現実的な惑星9検出手法の開発を目的とする。
• 地球基準のVLBIによる横方向角度ずれを活用し、遠くの巨大天体による重力摂動を検出することを目的とする。
• 現在のまたは近い将来のVLBI感度を用いて、惑星9を最大100 AUの距離で検出可能とする。
• 惑星9が存在しない場合にも、外太陽系の重力異常をマッピングできる二重目的のミッションを提供することを目的とする。
• 飛行時の恒久的な横方向速度変化を活用することで、従来の提案より感度を向上させることを目的とする。

提案手法

• 本手法は、近い相対論的宇宙船（約0.001c）を受動的電波ビーコンとして用い、地球基準のVLBIネットワークで観測可能である。
• 惑星9による重力摂動によって生じる横方向ずれは、Δvy / v_x^(0)に比例する測定可能な角度シフトを引き起こす。
• 角度ずれα ≈ 7×10⁻⁹ラジアンは、インパルス近似から導出され、質量M、接近パラメータρ、探査機速度v_x^(0)に依存する。
• VLBIは10⁻⁹ラジアン（約10⁻⁹ラジアン）未塔の角度位置を測定可能であり、低質量の惑星9に対してもずれを検出可能である。
• 本手法は、恒久的な横方向速度変化（Δvy = 2GM / (ρ v_x^(0))) に依存しており、時間とともに蓄積される検出可能な角度オフセットを生じる。
• 搭載された超高精度時計は不要であり、探査機の電波信号が地球から受信可能であるだけでよく、ミッションの質量と複雑さを大幅に低減できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高精度な搭載時計を必要とせずに、相対論的探査機の横方向角度ずれを用いて、惑星9のような遠くの巨大天体を検出可能か？
• RQ2 現在または近い将来のVLBI技術で、最小でどの程度の角度ずれが検出可能か？
• RQ3 本手法の感度は、径方向速度変化と搭載時計に依存する従来の提案と比較してどうか？
• RQ4 本手法で検出可能な惑星9の質量と距離のしきい値は何か？
• RQ5 惑星9が存在しない場合でも、本手法は外太陽系における重力摂動に関する有用なデータを提供できるか？

主な発見

• 本手法は、VLBIを用いて約10⁻⁹ラジアンの検出しきい値（1ミリアーキセコンド未塔の角度分解能に相当）を達成する。
• 最大α ≈ 7×10⁻⁹ラジアンの横方向角度ずれを検出可能であり、10⁻³cの探査機速度で100 AUに位置する5 M⊕の天体を同定可能である。
• 探査機速度を5×10⁻⁴cに低下させることで、検出しきい値を4倍に高め（感度を向上）、ミッション期間が約20年に延長される。
• 超高精度な搭載時計の必要性が排除され、技術的・ミッション的複雑性が著しく低減される。
• 恒久的な横方向速度変化（Δvy）は、最大値に達する前から増加する角度ずれを生じさせ、早期検出の可能性を高める。
• 惑星9が存在しない場合でも、探査機は外太陽系の重力摂動をマッピングでき、見えない質量集積に関する貴重なデータを提供する。