[論文レビュー] The orbital motion of Sun and a new test of general relativity using radio links with the Cassini spacecraft

Sergei M. Kopeikin, Gail Schaefer+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2006

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、太陽の公転運動に起因するその移動性重力磁気場が、カッシーニ実験における電波伝播に与える影響を調査する。周波数シフトの分析を通じて、この効果はわずか (~4×10⁻¹³) ではあるが、シャピロ遅延から分離可能であり、データから抽出可能であることが示され、一般相対性理論の後ニュートン的パラメータγに関する新たな高精度のテストが可能になる。

ABSTRACT

The most precise test of the post-Newtonian gamma parameter in the solar system has been achieved in measurement of the frequency shift of radio waves to and from the Cassini spacecraft as they passed near the Sun. The test relies upon the JPL model of radiowave propagation that includes, but does not explicitly parametrize, the impact of the non-stationary component of the gravitational field of the Sun, generated by its barycentric orbital motion, on the Shapiro delay. This non-stationary gravitational field of the Sun is associated with the Lorentz transformation of the metric tensor and the affine connection from the heliocentric to the barycentric frame of the solar system and can be treated as gravimagnetic field. The gravimagnetic field perturbs the propagation of a radio wave and contributes to its frequency shift at the level up to 4 10^{-13} that may affect the precise measurement of the parameter gamma in the Cassini experiment to about one part in 10,000. Our analysis suggests that the translational gravimagnetic field of the Sun can be extracted from the Cassini data, and its effect is separable from the space curvature characterized by the parameter gamma.

研究の動機と目的

• 太陽の重心座標系における公転運動に起因する非定常的重力場が、カッシーニ実験における電波伝播に与える影響を評価すること。
• 太陽の移動性重力磁気場が、データ内での他の相対論的効果から分離可能かどうかを特定すること。
• 後ニュートン的パrameter γの測定に及ぼすこの重力磁気的寄与の重要性を評価すること。
• 太陽系におけるこれまで無視されてきた相対論的効果を考慮することで、一般相対性理論のテスト精度を向上させること。

提案手法

• 太陽の重力場の影響（非定常的成分を含む）を組み込んだJPLの電波伝播モデルを用いる。
• 局所的太陽中心座標系から重心座標系への計量テンソルおよびアフィン接続のローレンツ変換を適用して、重力磁気場をモデル化する。
• 太陽接近時におけるカッシーニの電波リンクの周波数シフトデータを分析し、太陽の公転運動に起因する摂動を検出する。
• 後ニュートン的パラメータγによって特徴づけられる空間曲率効果から、重力磁気効果の寄与を分離する。
• 周波数シフトに及ぼす重力磁気効果の大きさを定量化し、最大で4×10⁻¹³程度と推定する。
• 相対論的伝播モデルを用いて、移動性重力磁気場を独立した物理的寄与として分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽の公転運動が、電波伝播に影響を与える測定可能な重力磁気場をどれくらい生成するか。
• RQ2 カッシーニ電波追跡データから、太陽の移動性重力磁気場を抽出できるか。
• RQ3 カッシーニ実験における周波数シフトに及ぼす重力磁気的寄与は、シャピロ遅延に対してどの程度顕著か。
• RQ4 後ニュートン的パラメータγによって特徴づけられる曲率に起因する遅延から、重力磁気効果は分離可能か。
• RQ5 この効果が、カッシーニ実験におけるγパラメータ測定の精度に及ぼす影響は何か。

主な発見

• 太陽の移動性重力磁気場は、電波の周波数シフトに最大で4×10⁻¹³の寄与をもたらす。
• この重力磁気効果は、後ニュートン的パラメータγによって記述される空間曲率効果から分離可能である。
• この効果が無視された場合、γの測定に約10,000分の1の影響を与える可能性がある。
• カッシーニのデータは、太陽の移動性重力磁気場を抽出するのに十分な精度を有する。
• 太陽の公転運動に起因する重力場の非定常的成分は、相対論的遅延に物理的に意味のある測定可能な寄与をもたらす。
• 解析により、重力磁気場は太陽中心座標系と重心座標系の間での計量テンソルおよびアフィン接続のローレンツ変換によりモデル化可能であることが確認された。