[논문 리뷰] A Conventional Physics Explanation for the Anomalous Acceleration of Pioneer 10/11

Louis K. Scheffer|ArXiv.org|2001. 08. 22.

Astro and Planetary Science인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 파이오니어 10호 및 11호에서 관측된 이례적인 가속도가, RTG, RHU, 전기 시스템 및 피드 방사와 같은 차량 내부 열원으로부터 발생하는 비등방성 열복사 때문이라고 제안한다. 이는 시간에 따라 변하는 출력과 복사 방향성을 고려한 모델을 포함한다. 이 모델은 관측된 가속도 추세를 합리적으로 맞추지만, 구간 I와 III 사이의 9% 감소를 9% 과대 예측하여, 일반 물리학이 이 효과의 대부분을 설명할 가능성이 높음을 시사한다.

ABSTRACT

Anderson, et al., find the measured trajectories of Pioneer 10 and 11 spacecraft deviate from the trajectories computed from known forces acting on them. This unmodelled acceleration can be accounted for by non-isotropic radiation of spacecraft heat. Various forms of non-isotropic radiation were proposed by Katz, Murphy, and Scheffer, but Anderson, et al. felt that none of these could explain the observed effect. This paper calculates the known effects in more detail and considers new sources of radiation, all based on spacecraft construction. These effects are then modelled over the duration of the experiment. The model provides a reasonable fit to the acceleration from its appearance at a heliocentric distance of 5 AU to the last measurement at 71 AU, but overpredicts by 9% the decrease in acceleration between intervals I and III of the Pioneer 10 observations. (For comparison, the two different measurements of the effect (SIGMA and CHASMP) themselves differ by 4% in interval III.) In any case, by accounting for the bulk of the acceleration, the proposed mechanism makes it much more likely that the entire effect can be explained without the need for new physics.

연구 동기 및 목표

• 기존 물리학, 특히 RTG, RHU 및 피드 방사와 같은 차량 시스템에서 발생하는 비등방성 열복사를 통해 파이오니어 10호 및 11호의 이례적 가속도를 설명하는 것.
• 알려진 중력력 예측과 관측된 궤도 이탈 간의 괴리를 해결하는 것.
• 과거에 간과되었을 수 있는 열복사 효과—특히 RTG, RHU 및 피드 방사—가 관측된 가속도를 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• 시간에 따라 변화하는 출력과 복사 방향성을 통합하여 이전 모델을 개선하는 것.
• 남아 있는 괴리가 모델링 오류 또는 고려하지 못한 체계적 오차 때문인지 평가하는 것.

제안 방법

• RTG 열(직접 및 반사), RHU, 전기력 분산(BUS), 안테나를 놓친 피드 방사와 같은 네 가지 주요 열원의 열복사 모델링.
• 핵분열 열원의 시간에 따른 감쇠와 차량의 자세 및 기하학적 구조에 따른 열방출 패tern의 변화를 통합.
• 효율 계수를 각 열원에 맞추어 태양 반대 방향으로 향하는 복사 추진력을 계산하는 복사 추진 모델 사용.
• 가속도를 계산하기 위한 미분방정식 적용: $ a(t) = \frac{1}{c \cdot m} \left[ \epsilon_{RHU} \cdot RHU(t) + \epsilon_{RTG} \cdot RTG(t) + \epsilon_{FEED} \cdot RADIO(t) + \epsilon_{BUS} \cdot BUS(t) - K_{SOLAR} \cdot SOLAR(t) \right] $, 여기서 $ c $ 는 빛의 속도, $ m $ 은 차량 질량이다.
• 1987년에서 1998년 사이의 파이오니어 10호 데이터에 모델을 적합시키며, 데이터를 세 구간(I, II, III)으로 나누고 SIGMA 및 CHASMP 궤도 해법과 비교.
• 효율성 $ \epsilon_{RHU}=0.5 $, $ \epsilon_{RTG}=0.0108 $, $ \epsilon_{FEED}=0.1 $, $ \epsilon_{BUS}=0.35 $, $ K_{SOLAR}=0.3 $ 를 포함한 다섯 변수 적합을 통해 관측된 가속도 추세를 일치시킴.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 차량 시스템에서 발생하는 비등방성 열복사가 파이오니어 10호 및 11호의 이례적 가속도를 설명할 수 있는가?
• RQ2 시간에 따라 변화하는 열출력과 복사 방향성의 특성이 5 AU에서 71 AU까지의 가속도 발생과 변화를 설명할 수 있는가?
• RQ3 관측된 가속도는 구간 I와 III 사이에서 3% 감소한 반면, 모델은 9% 감소를 예측하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 모델 예측과 데이터 간의 괴리가 통계적 불확실성 또는 모델링 한계 때문인지, 새로운 물리학 때문인지 평가할 수 있는가?
• RQ5 열복사 효과가 파이오니어 10호 및 11호의 유사한 가속도를 설명하는 데 얼마나 기여하며, 왜 자전 속도에 크게 영향을 주지 않는가?

주요 결과

• 모델은 5 AU에서 71 AU까지의 이례적 가속도에 대해 합리적인 적합도를 보이며, 크기와 발생 시점 모두에서 관측된 추세를 잘 따르고 있다.
• 모델은 구간 I에서 구간 III로의 추진력 감소율을 11.8%로 예측하지만, 관측된 데이터는 단지 3% 감소를 보여, 9% 과대 예측된다.
• SIGMA와 CHASMP 측정값 간의 차이를 통계적 불확실성으로 간주할 경우, 이 9% 괴리는 약 2.25 표준편차에 해당하며, 모델이 완전히 올바르다는 가능성은 약 2%로 감소한다.
• 모델은 일반 물리학만을 사용하여 이례적 가속도의 대부분을 설명할 수 있어, 새로운 물리학이 필요할 가능성은 매우 낮다.
• 모델은 파이오니어 10호 및 11호가 유사하지만 정확히 동일하지 않은 가속도를 보이는 이유와, 비대칭적인 복사 토크로 인해 자전 속도에 크게 영향을 주지 않는 이유를 설명할 수 있다.
• 장비 열과 주요 구획 열에 대해 별도의 효율성을 도입하면 더 나은 적합도(1.75 표준편차)를 얻을 수 있으나, 이는 모델의 복잡성을 증가시키며, 정밀한 전력 분산 데이터가 필요하다.