[論文レビュー] Utilizing Minor Planets to Assess the Gravitational Field in the Outer Solar System

Gary L. Page, David S. Dixon+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2005

Astro and Planetary Science被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、小惑星を自然なプローブとして用い、太陽系外縁部の重力場を測定する手法を提案している。この手法により、論争の的となっているパイオニア異常を検証できる。長期間にわたり、大きな明るい天体を追跡することで、パイオニア10号および11号で観測された異常な太陽方向の加速度が、物理的現象の真実のものか、宇宙船のシステムティクスに起因する誤差のものかを評価できる。

ABSTRACT

The Pioneer 10 and 11 spacecraft have been precisely tracked for over thirty years as they have crossed and then departed the solar system. When they passed a distance of 20 AU from the sun, both probes exhibited a systematic error in their trajectories that can be interpreted as a constant acceleration of 8.74e-8 cm/sec/sec towards the sun. This anomalous acceleration has come to be referred to as the Pioneer Effect, and although spacecraft systematics are its most likely explanation, there have been no convincing arguments that that is indeed the case. The alternative, that the Pioneer Effect represents a real phenomenon, is very appealing for many reasons. What is lacking is a means of measuring the effect, its variation, its potential anisotropies, and its region of influence. The present paper shows that minor planets provide an observational vehicle for investigating the gravitational field in the outer solar system, and thus provide a means of measuring the Pioneer Effect and potentially to either support or refute its existence as a real phenomenon. Minor planets can be used for this purpose because they have a large mass and are large and bright enough to be observed for useful intervals. Thus, even if the Pioneer Effect does not represent a new physical phenomenon, minor planets can be used to probe the gravitational field in the outer solar system. Since there are very few intermediate range tests of gravity at the multiple AU distance scale, this is a worthwhile endeavor in its own right. However, depending upon the characteristics of the measurements, it might even be possible to differentiate between the predictions of alternative explanations for the Pioneer Effect.

研究の動機と目的

• 20 AUを超える距離で観測されたパイオニア異常に関連する、太陽系外縁部における重力場を調査すること。
• 天文単位（AU）スケールにおける中距離重力のテストが不足している現状を是正し、重力理論の妥当性を検証することに不可欠な点を明らかにすること。
• 宇宙船データに依存しない方法で、パイオニア効果の変化、異方性、影響範囲を測定する手段を提供すること。
• パイオニア効果の背後にある説明のうち、物理的現象の真実のものか、宇宙船追跡のシステムティクスに起因する誤差のどちらであるかを区別すること。

提案手法

• 長期間にわたり、観測可能なほど十分に大きく明るい小惑星の光学的追跡データを活用する。
• 外太陽系におけるこれらの小惑星の軌道を正確に決定する技術を適用する。
• 小惑星の観測された軌道運動を、標準ニュートン重力および一般相対性理論に基づく予測と比較する。
• 観測された軌道と予測された軌道との乖離をもとに、異常加速度の存在とその特徴を推定する。
• 既知の天体および太陽系の質量分布の重力的影響を組み込むことで、潜在的な逸脱を分離する。
• 観測された異常が、パイオニア効果（8.74×10⁻⁸ cm/s²、太陽方向）の大きさと方向と一致するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小惑星は、20 AUを超える距離における重力場を測定する信頼できる観測プラットフォームとして機能できるか？
• RQ2 小惑星の運動に、パイオニア異常と同程度の大きさと方向の定常的な太陽方向加速度の兆候が見られるか？
• RQ3 小惑星の重力的挙動は、物理的異常か、宇宙船追跡のシステムティクス誤差かを区別できるか？
• RQ4 小惑星の軌道から推定される、異常加速度の空間的範囲と異方性は何か？
• RQ5 小惑星データは、パイオニア効果を説明しようとする競合する理論的モデルを制限できるか？

主な発見

• 小惑星は、宇宙船のテレメトリに依存せずにパイオニア効果を検証できる、独立的かつ長期的な外太陽系重力場のプローブとして機能できる。
• 特定の小惑星は質量が大きく明るいため、長期間にわたり観測可能であり、微小な異常を検出するのに必要な高精度な軌道追跡が可能になる。
• もしパイオニア効果が最終的に宇宙船のシステムティクスに起因するとされるにしても、小惑星の観測は複数のAU距離における重力のテストに価値を持つ。
• この手法は、効果の変化と空間的特性を測定することで、パイオニア効果の説明の間で競合する仮説を区別する可能性を有する。
• このアプローチは、数十AUの距離で極めて不足している中距離重力テストの空白を埋める。
• この分析により、異常加速度が等方的か、方向依存性を示すかを明らかにできる可能性があり、特定の物理的モデルの除外または支持に役立つ。