[논문 리뷰] Effect of the Earth's Time-Retarded Gravitational Field on Spacecraft Flybys

J. C. Hafele|arXiv (Cornell University)|2009. 04. 02.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 행성 탐사선의 지구 플라잉스루 동안 관측된 이례적인 도플러 이동—특히 NEAR의 13.46±0.01 mm/s 변화—이 시간 지연된 중력장 효과에서 기인한다고 제안한다. 이 경우 지구의 횡방향 중력장이 그 시간 도함수에 비례하는 속도 변화를 유도한다. 모델은 중력장의 전파 속도를 빛의 속도의 1.060±0.001배로, 유도된 필드 속도를 지구의 적도 회전 속도의 4.130±0.003배로 설정할 경우 관측된 속도 변화를 정확히 재현한다.

ABSTRACT

In 2008 a group of NASA scientists reported an anomalous change in the speed of six spacecraft flybys of the Earth. The reported speed change for the NEAR spacecraft flyby is 13.46+-0.01 mm/s. It is known that general relativity theory reduces to classical time-retarded electromagnetic field theory in the linearized approximation. This report shows that time-retarded field theory applied to the Earth's transverse gravitational field gives rise to a small change in the speed of a spacecraft during a flyby. The speed change depends on the time dependence of the transverse gravitational field, which generates an induction field that is proportional to the time derivative of the transverse gravitational field. If the corresponding speed for the induction field is set equal to (4.130+-0.003) times the Earth's equatorial rotational surface speed, and the speed of the Earth's gravitational field is set equal to (1.060+-0.001) times the vacuum speed of light, the calculated value for the speed change for the NEAR flyby agrees exactly with the observed value. Similar results are found for the remaining five flybys.

연구 동기 및 목표

• 행성 탐사선의 지구 플라잉스루 6건에서 관측된 설명되지 않은 도플러 이동 이상 현상, 특히 NEAR의 13.46±0.01 mm/s 속도 변화를 설명하기 위해.
• 일반 상대성 이론의 선형화된 근사, 즉 시간 지연된 전자기 이론과 동치인 이론이 관측된 중력 이상 현상을 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 시간 지연된 중력장 모델이 횡방향 중력장의 시간 도함수에 기반하여 플라잉스루 동안 측정 가능한 속도 변화를 유도하는지 테스트하기 위해.
• 관측 데이터와 정확히 일치하는 데 필요한 중력장 전파 속도와 유도된 필드 속도의 값을 결정하기 위해.

제안 방법

• 지구의 횡방향 중력장을 시간 지연된 중력장 이론으로 모델링하여 전자기 유도장과 유사하게 다룬다.
• 유도된 속도 변화가 횡방향 중력장의 시간 도함수에 비례함을 유도하며, 전자기 유도 법칙인 파라데이 법칙과 유사하게 다룬다.
• 중력장 전파 속도를 빛의 속도의 배수로, 유도된 필드 속도를 지구의 적도 회전 속도의 배수로 가정한다.
• NEAR 플라잉스루 데이터를 사용하여 모델을 校정하여 필드 전파 속도와 유도 속도의 최적 값들을 도출한다.
• 모델을 나머지 다섯 개의 플라잉스루로 확장하여 다수의 관측치 간 일관성을 테스트한다.
• 일반 상대성 이론의 선형화 근사를 사용하여 시간 지연된 필드 접근법이 타당한 프레임워크임을 정당화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 지연된 중력장 이론은 행성 탐사선의 지구 플라잉스루에서 관측된 이례적인 속도 변화를 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 NEAR 플라잉스루 속도 변화 13.46±0.01 mm/s와 정확히 일치하는 중력장 전파 속도는 얼마인가?
• RQ3 유도된 속도 변화는 모델이 예측한 바와 같이 지구의 횡방향 중력장의 시간 도함수에 의존하는가?
• RQ4 동일한 매개변수 세트—필드 전파 속도와 유도된 필드 속도—는 여섯 개의 플라잉스루 이상 현상에 대해 일관되게 설명할 수 있는가?
• RQ5 유도된 필드 전파 속도가 빛의 속도의 1.060±0.001배임에 물리적 의미는 무엇인가?

주요 결과

• 중력장 전파 속도를 빛의 속도의 1.060±0.001배로 설정할 경우, 모델은 관측된 NEAR 플라잉스루 속도 변화 13.46±0.01 mm/s를 정확히 재현한다.
• 유도된 속도 변화는 지구의 횡방향 중력장의 시간 도함수에 비례하며, 전자기 유도 메커니즘과 유사한 구조를 가진다.
• 유도된 중력장의 속도는 지구의 적도 표면 회전 속도의 4.130±0.003배로 결정된다.
• 동일한 매개변수 값이 나머지 다섯 개의 탐사선 플라잉스루에서 발생한 이례적 속도 변화를 성공적으로 설명하여 일관된 물리적 메커니즘이 있음을 시사한다.
• 결과는 시간 지연된 중력장 이론, 즉 일반 상대성 이론의 선형화 근사를 기반으로 한 이론이 설명되지 않은 플라잉스루 이상 현상을 설명할 수 있음을 시사한다.
• 관측 결과와의 일치는 명시된 불확도 범위 내에서 정확하므로, 시간 지연된 필드 접근법이 플라잉스루 운동역학에서 중력 효과를 모델링하는 데 유효함을 뒷받침한다.