[논문 리뷰] A comment on the possibility of testing the Dvali-Gabadadze-Porrati gravity model with the outer planets of the Solar System

Lorenzo Iorio|arXiv (Cornell University)|2005. 10. 25.

Geophysics and Gravity Measurements인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Dvali-Gabadadze-Porrati(DGP) 브레인월드 중력 모형이 외계 태양계 행성, 특히 카시니 데이터를 통해 사용할 수 있는 궤도 역학을 통해 시험될 수 있는지 조사한다. 궤도 이심률에 따라 달라지지만 반장경에 영향을 받지 않는 작은 순환 근일점 및 평균 길이의 세차 예측에도 불구하고, 현재의 관측 정확도는 카시니 및 가이아의 기존 또는 향후 데이터로 이러한 효과를 감지할 수 없음을 보여준다.

ABSTRACT

The multidimensional braneworld gravity model by Dvali, Gabadadze and Porrati was primarily put forth to explain the observed acceleration of the expansion of the Universe without resorting to dark energy. One of the most intriguing features of such a model is that it also predicts small effects on the orbital motion of test particles which could be tested in such a way that local measurements at Solar System scales would allow to get information on the global properties of the Universe. Lue and Starkman derived a secular extra-perihelion \\omega precession of 5\ imes 10^-4 arcseconds per century, while Iorio showed that the mean longitude \\lambda is affected by a secular precession of about 10^-3 arcseconds per century. Such effects depend only on the eccentricities e of the orbits via second-order terms: they are, instead, independent of their semimajor axes a. Up to now, the observational efforts focused on the dynamics of the inner planets of the Solar System whose orbits are the best known via radar ranging. Since the competing Newtonian and Einsteinian effects like the precessions due to the solar quadrupole mass moment J2, the gravitoelectric and gravitomagnetic part of the equations of motion reduce with increasing distances, it would be possible to argue that an analysis of the orbital dynamics of the outer planets of the Solar System, with particular emphasis on Saturn because of the ongoing Cassini mission with its precision ranging instrumentation, could be helpful in evidencing the predicted new features of motion. In this note we investigate this possibility in view of the latest results in the planetary ephemeris field. Unfortunately, the current level of accuracy rules out this appealing possibility and it appears unlikely that Cassini and GAIA will ameliorate the situation.

연구 동기 및 목표

• 외부 행성, 특히 토성의 궤도 역학이 Dvali-Gabadadze-Porrati 브레인월드 중력 모형을 시험할 수 있는지 평가하기.
• 궤도 이심률에 따라 달라지지만 반장경에 영향을 받지 않는 궤도 이심률 및 평균 길이의 순환 세차가 현재 또는 향후 우주 임무를 통해 감지될 수 있는지 평가하기.
• 카시니 임무의 고정밀 거리 측정 데이터와 가이아 천체측량 임무가 DGP 모형에 대한 제약을 어떻게 향상시킬 수 있는지 결정하기.
• 내부 행성보다 거리가 멀어지면서 뉴턴적 및 상대론적 효과가 감소하는 외부 행성이 더 나은 시험 기반임을 검토하기.

제안 방법

• DGP 모형이 예측하는 약 5×10⁻⁴ 초각/세기의 순환 추가 근일점 세차 분석.
• 모형이 예측하는 평균 길이의 순환 세차 약 10⁻³ 초각/세기 평가; 이 또한 궤도 이심률에 따라 달라지지만 반장경과는 무관하다.
• 이러한 DGP에 기인한 효과를 반장경이 증가함에 따라 감소하는 표준 뉴턴적 및 후-뉴턴적 효과(예: 태양의 J₂, 전기적 중력 및 자기장 효과)와 비교하기.
• 최신 행성 천체계를 활용하여 외부 행성의 궤도 매개변수 측정 정확도를 평가하기.
• 카시니의 거리 측정 및 가이아 천체측량의 정밀도 향상 잠재력 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DGP 모형이 예측하는 순환 근일점 세차는 토성과 같은 외부 행성의 궤도 운동에서 감지될 수 있는가?
• RQ2 DGP 세차가 반장경에 영향을 받지 않고 궤도 이심률에만 의존한다는 점이 내부 행성보다 외부 행성이 더 유리한 시험 기반임을 의미하는가?
• RQ3 현재 행성 천체계의 관측 불확실성은 외계 태양계 천체에서 DGP 효과 감지에 얼마나 큰 제약을 끼치는가?
• RQ4 카시니 임무 및 가이아 우주 임무의 향후 데이터가 DGP 유형 중력 효과 감지 민감도를 크게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• DGP 모형은 반장경에 영향을 받지 않고 궤도 이심률에 따라 달라지는 약 5×10⁻⁴ 초각/세기의 순환 추가 근일점 세차를 예측한다.
• 모형은 또한 반장경과 무관하게 동일한 방식으로 영향을 받는 약 10⁻³ 초각/세기의 평균 길이 순환 세차를 예측한다.
• 더 멀리 떨어져 있어 상대론적 효과가 감소하는 토성과 같은 외부 행성이 이론적으로 유망하지만, 현재의 관측 정확도는 이러한 DGP 효과를 감지하기에 부족하다.
• 최신 행성 천체계는 아직 DGP 모형을 외부 행성 역학을 통해 의미 있는 방식으로 시험할 수 있는 수준에 이르지 못했다.
• 카시니 임무의 고정밀 데이터와 가이아 천체측량 임무의 데이터를 사용하더라도, 현재의 정확도 수준은 예측된 DGP에 기인한 세차를 감지하기에 부족하다.