[논문 리뷰] Astrometric Solar-System Anomalies

J. D. Anderson, Michael Martin Nieto|ArXiv.org|2009. 07. 14.

Astro and Planetary Science참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 태양계 내 네 가지 설명되지 않은 천체역학적 이상 현상을 규명하고 분석한다: 지구 플라이바이 이상 현상(우주선이 지구 근처를 통과할 때 발생하는 예상치 못한 에너지 변화), 천문단위의 점진적 증가(연간 약 15cm), 파이오니어 이상 현상(약 8.74×10⁻⁸ cm/s²의 일정한 태양 쪽 가속도), 그리고 달 궤도 이심률의 설명되지 않은 증가(연간 약 0.9±0.3×10⁻¹¹ yr⁻¹). 저자들은 이러한 현상들이 알려지지 않은 물리 법칙이나 체계적 오차에서 기인할 수 있다고 주장하지만, 파이오니어 이상 현상에 대해서는 열복사 효과가 가장 유력한 설명으로 남아 있다.

ABSTRACT

There are at least four unexplained anomalies connected with astrometric data. Perhaps the most disturbing is the fact that when a spacecraft on a flyby trajectory approaches the Earth within 2000 km or less, it often experiences a change in total orbital energy per unit mass. Next, a secular change in the astronomical unit AU is definitely a concern. It is increasing by about 15 cm yr$^{-1}$. The other two anomalies are perhaps less disturbing because of known sources of nongravitational acceleration. The first is an apparent slowing of the two Pioneer spacecraft as they exit the solar system in opposite directions. Some astronomers and physicists are convinced this effect is of concern, but many others are convinced it is produced by a nearly identical thermal emission from both spacecraft, in a direction away from the Sun, thereby producing acceleration toward the Sun. The fourth anomaly is a measured increase in the eccentricity of the Moon's orbit. Here again, an increase is expected from tidal friction in both the Earth and Moon. However, there is a reported unexplained increase that is significant at the three-sigma level. It is prudent to suspect that all four anomalies have mundane explanations, or that one or more anomalies are a result of systematic error. Yet they might eventually be explained by new physics. For example, a slightly modified theory of gravitation is not ruled out, perhaps analogous to Einstein's 1916 explanation for the excess precession of Mercury's perihelion.

연구 동기 및 목표

• 우주선의 플라이바이 궤도에서 발생하는 설명되지 않은 이심률 변화, 특히 지구 근처에서의 에너지 변화를 조사하기 위해.
• 약 15 cm/year의 속도로 지속적으로 증가하는 천문단위(AU)의 중요성을 평가하기 위해.
• 심지어 태양계 외곽 탐사선에서 관측된 일정한 태양 쪽 가속도인 지속적인 파이오니어 이상 현상을 분석하기 위해.
• tidal 소산 모델을 초월해 설명되지 않는 궤도 이심률의 지속적 증가를 분석하기 위해.
• 이러한 이상 현상들이 기존 천체물리 모델의 체계적 오차 또는 새로운 물리 법칙의 징후일 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 지구 플라이바이 동안 나사의 갈릴레오 및 네아르 우주선의 도플러 추적 데이터를 분석하여 선형 속도 잔차에서 이상 현상을 탐지하기 위해.
• 근점 이전 및 이후의 도플러 잔차를 비교하여 모델에 반영되지 않은 가속도를 시사하는 渐진적 편향을 식별하기 위해.
• 이온층 및 대기 노이즈를 최소화하기 위해 X밴드(네아르) 및 S밴드(갈릴레오)의 고정밀 라디오 추적을 사용하기 위해.
• 1970~2008년까지의 달 레이저 레인지 데이터를 장기적으로 분석하여 달 궤도 요소의 지속적 변화를 측정하기 위해.
• 지구와 달의 tidal 소산 효과를 모델링하여 설명되지 않는 이심률 변화를 분리하기 위해.
• 항공우주 기업사의 CHASMP 코드와 제플의 궤도 결정 프로그램(ODP)을 사용해 파이오니어 이상 현상의 독립적 검증을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지속적인 중력 보조 기구에 기반한 이론이 잘 알려져 있음에도 불구하고, 왜 우주선은 지구 근처 플라이바이 중에 설명되지 않는 궤도 에너지 변화를 겪는가?
• RQ2 약 15 cm/year의 속도로 지속적으로 증가하는 것으로 보고된 천문단위의 원인은 무엇인가?
• RQ3 약 8.74×10⁻⁸ cm/s²의 일정한 태양 쪽 가속도를 보이는 파이오니어 이상 현상은 열복사 때문인지, 아니면 새로운 중력 효과 때문인가?
• RQ4 tidal 기여를 초월해 설명되지 않는 궤도 이심률의 지속적 증가가 발생하는 이유는 무엇인가? (0.9±0.3)×10⁻¹¹ yr⁻¹의 속도로 증가하고 있다.
• RQ5 이러한 이상 현상들이 함께 모여 표준 중력 이론의 붕괴 또는 새로운 물리 법칙의 필요성을 시사할 수 있는가?

주요 결과

• 갈릴레오 우주선 플라이바이에서는 근점 이후 도플러 잔차 편향이 3.78 mm/s로 나타나, 설명되지 않는 에너지 변화가 존재함을 시사한다.
• 네아르 우주선 플라이바이에서는 더 큰 잔차 편향 13.51 mm/s가 관측되어 이상 현상의 영향이 더 크다는 것을 시사한다.
• 파이오니어 이상 현상은 |a_P| = (8.74±1.33)×10⁻⁸ cm/s²로 확인되었으며, 태양 쪽을 향한 방향으로, 열복사 또는 수정된 중력 이론 외에 명확한 설명이 없다.
• 천문단위는 약 15 cm/year의 속도로 증가하고 있다고 보고되었지만, 원인은 아직 밝혀지지 않았다.
• 달 레이저 레인지 측정 결과, tidal 효과를 초월해 (0.9±0.3)×10⁻¹¹ yr⁻¹의 이심률 증가가 관측되어 모델링되지 않은 에너지 소산이 존재할 가능성을 시사한다.
• RTG에서 발생하는 열복사 효과는 파이오니어 이상 현상의 설명으로 타당하지만 아직 완전히 확인되지 않았으며, 初기 추정치에 따르면 반사열에 의한 영향은 전체 효과의 약 6.3%에 불과하다.