[논문 리뷰] First evidence of the general relativistic gravitomagnetic field of the Sun and new constraints on a Yukawa-like fifth force

Lorenzo Iorio|arXiv (Cornell University)|2005. 07. 09.

Astro and Planetary Science인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 향상된 행성 천체계수를 사용하여 태양의 일반 상대성 이론적 중력자장 효과인 Lense-Thirring 효과에 대한 처음으로 관측적 증거를 제시한다. 수성, 지구, 화성의 미세한近日점 운동 변화를 관측하여 상대론적 예측과 일치함을 확인하였다. 또한 1 AU 근처에서 양자역학적 다섯 번째 힘에 대한 새로운 제약 조건을 10^-12에서 10^-13 수준으로 설정하였다.

ABSTRACT

The post-Newtonian general relativistic gravitomagnetic Lense-Thirring precessions of the perihelia of the inner planets of the Solar System amount to 10^-3 arcseconds per century. Up to now they were always retained too small to be detected. Recent improvements in the planetary ephemerides determination yield the first observational evidence of such a tiny effect. Indeed, extra-corrections to the known perihelion advances of -0.0036\\pm 0.0050, -0.0002\\pm 0.0004 and 0.0001\\pm 0.0005 arcseconds per century were recently determined by E.V. Pitjeva for Mercury, the Earth and Mars, respectively. They were based on the EPM2004 ephemerides and a set of more than 317 000 observations of various kinds. The predicted relativistic Thirring-Lense precessions for these planets are -0.0020, -0.0001 and -3\ imes 10^-5 arcseconds per century, respectively and are compatible with the measured perihelia corrections, although the experimental errors are still large. The data from the forthcoming BepiColombo mission to Mercury will improve our knowledge of the orbital motion of this planet and, consequently, the precision of the measurement of the Thirring-Lense effect. As a by-product of the present analysis, it is also possible to constrain the strength of a Yukawa-like fifth force to a $10^-12-10^-13 level at scales of about one Astronomical Unit.

연구 동기 및 목표

• 현재의 행성 천체계수를 사용하여 이전에 측정할 수 없었던 후뉴턴 및 상대론적 효과인 일반 상대성 이론의 중력자장 효과에 의한 행성近日점 운동 변화를 탐지하기 위해.
• 고정밀 행성 궤도 데이터를 활용하여 가상의 다섯 번째 힘, 특히 양자역학적 다섯 번째 힘에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해.
• EPM2004 천체계수와 317,000건 이상의 관측 데이터를 활용하여 미세한 상대론적 보정을 추출하기 위해.
• 미래의 임무, 예를 들어 BepiColombo가 이러한 측정의 정밀도를 얼마나 향상시킬 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 다양한 출처에서 확보한 317,000건 이상의 관측 데이터를 포함한 EPM2004 행성 천체계수를 사용하였다.
• 표준 뉴턴 및 상대론적 효과를 초월한 이질적인 보정을 추출하기 위해 행성近日점 운동의 정교한 분석을 수행하였다.
• 관측된近日점 보정을 일반 상대성 이론에서의 Lense-Thirring 효과 이론적 예측과 비교하였다.
• 약 1 AU 스케일에서 궤도 역학의 이심을 분석하여 양자역학적 다섯 번째 힘에 대한 제약 조건을 통합하였다.
• 관측된 보정의 유의미성을 이론적 기대치와 비교하기 위해 통계적 오차 전파를 사용하였다.
• 측정된近日점 이동이 각각 수성, 지구, 화성에 대해 예측된 -0.0020, -0.0001, -3×10^-5 각도분기수(각도분기수/세기)의 중력자장 운동과 얼마나 일치하는지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 행성 천체계수를 사용하여 일반 상대성 이론의 중력자장 효과에 의한 행성近日점 운동 변화를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 수성, 지구, 화성의 관측된近日점 보정은 상대론적 중력자장 효과의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 약 1 AU 거리에서 고정밀 행성 궤도 데이터를 기반으로 양자역학적 다섯 번째 힘에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ4 현재의 관측 오차는 중력자장 효과 탐지에 얼마나 큰 제약을 끼치는가?
• RQ5 미래의 BepiColombo 임무에서의 데이터는 Lense-Thirring 효과 측정의 정밀도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 수성, 지구, 화성에 대해 관측된近日점 보정값 -0.0036±0.0050, -0.0002±0.0004, 0.0001±0.0005 각도분기수/세기 는 일반 상대성 이론의 Lense-Thirring 운동 예측과 일치한다.
• 세 행성에 대해 예측된 중력자장 운동량 -0.0020, -0.0001, -3×10^-5 각도분기수/세기 는 관측 불확도 범위 내에 들어있다.
• 이 효과의 매우 미세한 크기에도 불구하고, 이 분석은 태양의 중력자장이 존재한다는 최초의 관측적 증거를 제공한다.
• 데이터는 약 1 astronomical unit 거리에서 양자역학적 다섯 번째 힘의 강도를 10^-12에서 10^-13 수준으로 제약 조건을 설정한다.
• 현재 실험 오차는 여전히 크지만, 향후 BepiColombo와 같은 임무는 측정 정밀도를 크게 향상시킬 것으로 기대된다.
• 관측된 이동과 예측된 이동 간의 일치는 태양계의 약한 필드, 느린 운동 조건에서 일반 상대성 이론의 타당성을 지지한다.