[논문 리뷰] Can the flyby anomalies be explained by a modification of inertia?

M. E. McCulloch|arXiv (Cornell University)|2007. 12. 18.

Tactile and Sensory Interactions참고 문헌 10인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 지구의 중력 보조를 통한 비행 시 관측된 몇 mm/s 정도의 속도 증가 — 즉, 비행 비행 이면 현상 — 을 수정된 관성(수정된 관성 질량) 이론을 통해 설명한다. 이 이론은 허블 상수 규모의 카시미르 효과에 기반하며, 은하 중심에 대한 가속도가 0에 가까워질 때 관성 질량이 감소한다. 모델은 갈릴레오, 네아르, 카시니, 로제타 탐사선에 대해 지구 쪽 속도 변화를 각각 2.6–1.9 mm/s 범위 내로 예측하며, 네아르를 제외한 관측 결과와 일치한다. 이 모델은 허블 상수의 좁은 범위에 매우 민감하게 의존한다.

ABSTRACT

The flyby anomalies are unexplained velocity increases of 3.9, 13.5, 0.1 and 1.8 mm/s observed near closest approach during the Earth flybys of the Galileo, NEAR, Cassini and Rosetta spacecraft. Here, these flybys are modelled using a theory that assumes that inertia is caused by a form of Unruh radiation, modified by a Hubble-scale Casimir effect. This theory predicts that when the craft's accelerations relative to the galactic centre approached zero near closest approach, their inertial masses reduced for about 10^-7 s causing Earthward jumps of 2.6, 1.2, 1.4 and 1.9 mm/s respectively, and, to conserve angular momentum, increases in orbital velocity of a few mm/s that, except NEAR's, were quite close to those observed. However, these results were extremely sensitive to the Hubble constant used. As an experimental test of these ideas, it is proposed that metamaterials could be used to bend Unruh radiation around objects, possibly reducing their inertial mass.

연구 동기 및 목표

• 갈릴레오, 네아르, 카시니, 로제타 탐사선의 지구 비행 시 관측된 mm/s 수준의 비정상적인 속도 증가를 설명하기 위해.
• 유노-플라크 방사선과 허블 상수 규모의 카시미르 효과에 기반한 관성의 수정이 이러한 이면 현상을 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 모델의 예측이 허블 상수의 값에 얼마나 민감한지 평가하기 위해.
• 메타물질을 이용해 유노-플라크 방사선을 조작하고 관성 질량 감소를 감지할 수 있는 실용적인 실험적 검증 방법을 제안하기 위해.

제안 방법

• 뉴턴 역학과 MiHsC 식을 사용해 우주선의 비행을 모델링: $ m_I = m_g \left(1 - \frac{\beta \pi^2 c^2}{a \Theta} \right) $, 여기서 $ \Theta = 2c/H $.
• 매 1분 간격의 JPL Horizons 천체 운동 이轨 자료를 사용해 각 비행의 궤도를 재구성한다.
• 은하 중심에 대한 상대 가속도가 0에 가까워지는 기간 동안 관성 질량 감소를 계산한다.
• 일시적인 관성 질량 감소 기간 동안 운동량 보존 원리를 적용해 지구 쪽 속도 변화를 예측한다.
• 가장 가까운 접근 시점에 비해 관성 질량 감소 기간의 지속 시간과 시점의 상대적 위치를 평가한다.
• 메타물질을 이용해 유노-플라크 방사선을 굴절시켜 효과적인 관성 질량 감소를 유도하는 실험적 검증 방법을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MiHsC 모델은 갈릴레오, 네아르, 카시니, 로제타 비행에서 관측된 속도 변화를 설명할 수 있는가?
• RQ2 MiHsC의 예측은 허블 상수의 값에 얼마나 민감한가?
• RQ3 왜 관성 질량 감소가 매우 강력한 네아르 비행에서는 모델이 큰 이상 현상(13.46 mm/s)을 예측하지 못하는가?
• RQ4 비행 중 일시적인 관성 질량 감소는 메타물질을 이용해 실험적으로 검증할 수 있는가?
• RQ5 관성 질량 감소 시점이 가장 가까운 접근 시점과 관측 가능한 제약 조건과 일치하는가?

주요 결과

• MiHsC 모델은 갈릴레오 비행에 대해 2.6 mm/s, 네아르 비행에 대해 1.2 mm/s, 카시니 비행에 대해 1.4 mm/s, 로제타 비행에 대해 1.9 mm/s의 지구 쪽 속도 변화를 예측하며, 갈릴레오와 로제타의 경우 관측값과 불확도 범위 내에서 일치한다.
• 네아르 비행의 경우 예측된 속도 변화(1.2 mm/s)는 관측된 13.46 mm/s와 현저히 낮아, 이 모델이 이 미션에 대해 실패함을 시사한다.
• 모델의 예측은 허블 상수의 값에 매우 민감하다: $ H \geq 2.34 \times 10^{-18} \, \text{s}^{-1} $ 일 경우 예측된 속도 변화가 음수가 되어 타당한 H의 범위가 제한된다.
• 네아르 비행의 경우 관성 질량 감소 기간이 가장 짧았고(0.6 × 10⁻⁷ s), 질량 감소 폭이 가장 컸다(730 kg에서 0.6 kg으로 감소), 이는 고에너지 일시적 효과임을 시사한다.
• 네아르 비행의 질량 감소 사건은 가장 가까운 접근 2분 전에 발생했고, 다른 미션들은 12~9분 후에 발생했지만, 통신 단절로 직접적인 시점 검증이 불가능하다.
• 모델은 메타물질을 이용해 더 작은 카시미르 경계를 설계함으로써 관성 질량 감소를 실험적으로 감지할 수 있도록 유노-플라크 방사선을 조작할 수 있음을 시사한다.