[논문 리뷰] Does PIONEER measure local spacetime expansion?

H. J. Fahr, M. Siewert|ArXiv.org|2006. 10. 09.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 우주론적 효과로 인한 국소 시공간 팽창으로 인해 발생할 수 있는지 여부를 조사한다. 파이오니어 10호 및 11호의 위성 데이터에서 관측된 비정상적인 주파수 이동(이상한 태양 쪽 가속도로 해석됨)이 우주론적 효과로 인한 국소 시공간 팽창에서 기인할 수 있는지 검토한다. 일반 상대성 이론을 사용하여, 광자 전파로 인한 우주론적 적색이동은 관측된 효과의 크기와 일치하지만, 기호는 반대이다(적색이동 대비 청색이동), 이는 국소 우주론적 팽창 효과가 원인이 될 수 있음을 시사하지만, 비선형 밀도 대비 성장 고려 시 기호가 뒤바뀌어야 한다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

There is a longstanding mystery connected with the radiotracking of distant interplanetary spaceprobes like ULYSSES, Galileo and especially the two NASA probes PIONEER 10 and 11. Comparing radiosignals outgoing from the earth to the probe and ingoing again from the probes do show anomalous frequency shifts which up to now have been explained as caused by anomalous non-Newtonian decelerations of these probes recognizable at solar distances beyond 5 AU. In this paper we study cosmological conditions for the transfer of radiosignals between the Earth and these distant probes. Applying general relativity, we derive both the geodetic deceleration as well as the cosmological redshift and compare the resulting frequency shift with the observed effect. We find that anomalous decelerations do act on these probes which are of cosmological nature, but these are, as expected from standard cosmology, much too low to explain the observed effect. In contrast, the cosmological redshift of radiophotons suffered during the itinerary to the probe and back due to the local spacetime expansion reveals a frequency shift which by its magnitude is in surprisingly good agreement with the long registered phenomenon, and thus explains the phenomenon well, except for the sign of the effect. Problems of a local Hubble expansion may give the reason for this.

연구 동기 및 목표

• 파이오니어 이상 현상—방사선 전파 신호에서 관측된 설명되지 않는 청색이동—이 우주론적 효과로 인한 국소 시공간 팽창으로 설명될 수 있는지 판단하기 위해.
• 로버트슨-워커 계량에서의 지오데식 감속 또는 우주론적 적색이동이 관측된 주파수 이동을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 우주 은하수 내 국소 밀도 변동이 이상 현상의 기호와 크기와 일치하는 청색이동 유사 효과를 일으킬 수 있는지 평가하기 위해.
• 밀도 대비의 비선형 성장이 국소 시공간 팽창에 미치는 영향과 그로 인해 예상되는 적색이동 기호가 뒤바뀌는 잠재적 메커니즘을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 일반 상대성 이론을 사용하여 로버트슨-워커 시공간에서 지오데식 감속을 유도하고, 국소 시공간 임bedding을 모델링하기 위해 아인슈타인-스트로우의 빈자리 모델을 적용한다.
• 파이오니어 탐사선으로 가고 오는 광자에 대한 우주론적 적색이동을 계산하고, 관측된 주파수 이동과 비교한다.
• 은하계 규모 팽창에 대한 스케일링 법칙을 가정하여 국소 우주론적 가속도를 비선형 밀도 대비 성장으로 추정한다.
• 관계식 $ \frac{\dot{L}_{\text{gal},0}}{L_{\text{gal},0}} = \frac{1}{2}H_0 $ 를 사용하여 국소 팽창 속도와 그 광자 주파수에 미치는 영향을 모델링한다.
• 결과로 유도된 주파수 이동을 $ \delta\nu = \frac{\nu_0}{2}H_0 t $ 로 평가하고, 이는 예측된 가속도 $ a_{\text{PIO}} = -\frac{H_0 c}{2} $ 를 이끌어낸다.
• 이론적 예측을 관측 데이터와 비교하며, 예측된 적색이동과 관측된 청색이동 사이의 기호 불일치를 지적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소 시공간 팽창으로 인한 광자 전파로 인한 우주론적 적색이동이 파이오니어 이상 현상의 원인일 수 있는가?
• RQ2 관측된 주파수 이동이 청색이동을 보이는데도 불구하고, 우주론적 적색이동은 적색이동을 예측하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 은하수 내 밀도 대비의 비선형 성장이 국소 팽창을 일으켜 우주론적 적색이동 기호를 뒤바꿀 수 있는가?
• RQ4 기호 불일치에도 불구하고, 관측된 주파수 이동의 크기가 우주론적 기원과 일치하는가?
• RQ5 은하수와 같은 중력적으로 결합된 시스템 내 국소 시공간 팽창이 측정 가능한 주파수 이동을 일으켜 파이오니어 이상 현상과 일치시킬 수 있는가?

주요 결과

• 파이오니어 탐사선으로 가고 오는 광자가 겪는 우주론적 적색이동은 관측된 비정상적인 주파수 이동과 비슷한 주요 크기를 가지며, 강력한 정량적 일치를 나타낸다.
• 예측된 우주론적 적색이동은 약 $ \delta\nu \simeq \frac{\nu_0}{2}H_0 t $ 로, 이는 예측된 가속도 $ a_{\text{PIO}} = -\frac{H_0 c}{2} $ 를 이끌어내며, 관측된 이상 현상과 크기에서 일치한다.
• 예측된 적색이동의 기호는 관측된 청색이동과 반대이므로, 국소 우주론적 팽창 효과가 원인이 될 수 있지만, 기호를 뒤바꾸는 메커니즘이 필요하다는 것을 시사한다.
• 선형 섭동 이론은 이상 현상을 설명하지 못하며, 비선형 밀도 대비 성장으로 인해 국소 팽창 효과가 과소평가되기 때문이다.
• 비선형 밀도 대비 성장은 국소 은하계 척도가 허블 상수의 반만 팽창할 수 있음을 시사하며, 만약 팽창이 비균일하고 이방성이라면 청색이동으로 이어질 수 있다.
• 저자들은 우주론적 적색이동이 이상 현상의 크기와 일치하지만, 기호 불일치는 데이터 분석에서 체계적 오류가 존재하거나, 결합된 시스템 내 국소 시공간 팽창이 표준 선형 모델을 따르지 않을 수 있음을 시사한다.