[論文レビュー] Using pulsars to define space-time coordinates

Bartolome Colland, Albert Tarantola|ArXiv.org|May 26, 2009

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、4つの選択されたミリ秒パulsarからの正確で準周期的な電波パルスを自然な「衛星」として用い、完全に相対論的で普遍的な時空座標系を提案する。特定の出来事象（2001年1月1日、ケンブリッジ電波望遠鏡で）を原点として定義することで、太陽系内およびそれ以上の領域の任意の出来事象に対して、パルス信号の到着時刻に基づき4次元座標を割り当てる。これにより、約4ナノ秒の精度（約1メートルに相当）が達成される。

ABSTRACT

Fully relativistic coordinates have been proposed for (relativistically) running a "GPS" system. These coordinates are the arrival times of the light signals emitted by four "satellites" (clocks). Replacing the signals emitted by four controlled clocks by the signals emitted by four pulsars defines a coordinate system with lower accuracy, but valid across the whole Solar System. We here precisely define this new coordinate system, by choosing four particular pulsars and a particular event as the origin of the coordinates.

研究の動機と目的

• 人工衛星や地上の時計に依存しない、完全に相対論的で即時の時空座標系の構築を目的とする。
• 現在のGPSシステムの限界、すなわち完全に相対論的ではなく、観測者に依存する測定に依存していることへの対処を目的とする。
• 自然の天体を基準信号として用いることで、太陽系およびそれ以上の領域にわたり有効な安定的で普遍的な座標系を確立することを目的とする。
• 宇宙船や深宇宙のコロニーが、パルス星の電波信号を用いて自らの時空座標を自律的に特定できることを目的とする。
• パルス星が、銀河間距離にわたり、信頼性が高く長期にわたって利用可能な相対論的位置決めの基準点として機能できることを示すこと。

提案手法

• 太陽系を囲むほぼ均等な角度分布と安定したパルス周期を持つ4つのミリ秒パルス星（0751+1807, 2322+2057, 0711-6830, 1518+0205B）を選定する。
• 座標系の原点を、ケンブリッジ電波望遠鏡の焦点点で、パルス星が発見された2001年1月1日0時0分0秒の出来事象として定義する。
• 標準受信機が記録した、任意の時空出来事象における4つのパルス信号の到着時刻として、その出来事象の座標を割り当てる。
• 4つのパルス星からの信号の到着時刻を用いて、自己一貫的かつ相対論的な枠組みで、任意の出来事象の4次元座標を計算する。
• ミリ秒パルス星の安定性と周期性を活用し、時間的精度を高める。主な制限要因は、宇宙間分散（±4ナノ秒）に起因する。
• 原点の物理的輸送が、信号の旅路に沿って記録された後、遠く離れた場所（例：冥王星）においても座標の一貫性が保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人工衛星ではなく自然の天体を用いて、完全に相対論的で即時の時空座標系を構築できるか？
• RQ2 4つのパルス星からの信号の到着時刻をどのように用いることで、太陽系全域に有効な普遍的かつ自己一貫的な座標系を定義できるか？
• RQ3 このようなパルス星ベースの座標系の達成可能な精度は何か？ また、その精度に影響を与える物理的制限要因は何か？
• RQ4 深宇宙のコロニー（例：冥王星上）が地球と同一の座標系を採用・共有できる条件は何か？
• RQ5 相対論的整合性と長期的安定性の観点から、この座標系は現在のGPSと比べてどのように異なるか？

主な発見

• 提案されたパルス星ベースの座標系は、位置精度が約1メートルに達し、これに相当する時間精度は約4ナノ秒である。
• この座標系は完全に相対論的かつ即時的であり、座標は観測者の軌道の知識や後処理を必要とせず、信号の到着時刻によって即座に決定される。
• 4つの選定されたパルス星（0751+1807, 2322+2057, 0711-6830, 1518+0205B）は、太陽系をほぼ均等に囲む分布を示しており、時空内での強固な三角測定が可能である。
• 座標系の原点は、2001年1月1日0時0分0秒にケンブリッジ電波望遠鏡で定義され、システム全体の固定基準点を提供する。
• 深宇宙のコロニーが同じ座標系を使用するためには、信号を軌道に沿って記録した物理的輸送が不可欠であり、単なる情報伝達だけでは不十分である。
• 精度の主な制限要因は、宇宙間分散によるもので、約±4ナノ秒の時間的不確実性を引き起こし、システム全体の主要な誤差要因である。