[논문 리뷰] Is the physics within the Solar system really understood?

Cláus Lämmerzahl, O. Preuss외 1명|ArXiv.org|2006. 04. 11.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 52인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 태양계 내 설명되지 않은 이상현상—파이오니어 이상현상, 플라이바이 이상현상, 증가하는 천문단위, 이중극/삼중극 정렬, 암흑에너지/암흑물질—을 조사하며, 일반 상대성 이론과 표준 천체역학을 넘어서는 새로운 물리학을 검증하기 위해 파이오니어 임무의 체계적 데이터 재분석, 향후 플라이바이의 연속적 추적, 시계 비교 실험을 제안한다.

ABSTRACT

A collection is made of presently unexplained phenomena within our Solar system and in the universe. These phenomena are (i) the Pioneer anomaly, (ii) the flyby anomaly, (iii) the increase of the Astronomical Unit, (iv) the quadrupole and octupole anomaly, and (v) Dark Energy and (vi) Dark Matter. A new data analysis of the complete set of Pioneer data is announced in order to search for systematic effects or to confirm the unexplained acceleration. We also review the mysterious flyby anomaly where the velocities of spacecraft after Earth swing--bys are larger than expected. We emphasize the scientific aspects of this anomaly and propose systematic and continuous observations and studies at the occasion of future flybys. Further anomalies within the Solar system are the increase of the Astronomical Unit and the quadrupole and octupole anomaly. We briefly mention Dark Matter and Dark Energy since in some cases a relation between them and the Solar system anomalies have been speculated.

연구 동기 및 목표

• 태양계 내 설명되지 않은 현상들이 현재 중력 물리학의 타당성을 도전하는지 평가하기.
• 파이오니어 이상현상 및 플라이바이 효과와 같은 이상현상이 체계적 오차가 아니라 알려지지 않은 물리적 메커니즘에서 기인할 가능성 조사하기.
• 기존 데이터의 모호함을 해소하고 새로운 물리학을 탐지하기 위한 표적 관측 캠페인 제안하기.
• 태양계 이상현상과 암흑에너지, 암흑물질과 같은 천체물리 현상 간의 연관성 탐색하기.
• 향후 태양계 탐사 임무를 위한 정밀 추적 및 탑재된 시계 동기화를 포함한 개선된 데이터 수집 프로토콜 홍보하기.

제안 방법

• 파이오니어 10호 및 11호의 전체 도플러 추적 데이터를 재분석하여 체계적 효과를 탐지하거나 이 anomaly 가속도를 확인하기.
• 속도 및 위치에 의존하는 항목을 포함한 수정된 운동 방정식을 적용하여 플라이바이 이상현상을 모델링하며, $ \frac{GM}{c^2 r^2} \dot{r}^i $ 및 $ \frac{GM}{c^2 r^2} (\mathbf{r} \cdot \dot{\mathbf{r}}) \frac{r^i}{r} $ 비례 항을 포함하기.
• 양방향 도플러 추적을 통해 우주선의 속도와 거리를 고정밀도로 측정하여 미세한 이상 가속도 탐지 가능하게 하기.
• 향후 지구 중력 보조 플라이바이에 대해 연속적이고 고정밀도 추적을 제안하며, 탑재된 시계와 완전한 상태 벡터 측정 포함하기.
• 지구 기반 원자 시계와 천체물리적 시계를 비교하여 계측 시계의 시차가 존재하는지 검토하여 계량 또는 중력장 이상 현상 탐지하기.
• 수정된 운동 방정식의 에너지 비보존 성격 평가하여 이들이 이상한 속도 변화를 설명하는 데 기여할 잠재적 역할 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파이오니어 10호 및 11호 우주선의 이상 가속도는 알려진 열 반동력으로 완전히 설명될 수 있는가, 아니면 새로운 물리학을 시사하는가?
• RQ2 표준 중력 이론에서 에너지 보존 원칙을 위반하지 않으면서도 지구 플라이바이 후 일관된 속도 증가를 일으킬 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 천문단위가 연간 약 10미터 증가하는 것으로 관측된 것은 실존하는 물리적 효과인가, 아니면 행성 에포데미드의 체계적 편향인가?
• RQ4 우주 마이크파배경복사의 저차수 다극 성분이 태양계의 운동량과 통계적으로 유의미하게 정렬되어 있는가? 이는 알려지지 않은 대규모 구조 효과를 시사하는가?
• RQ5 플라이바이 이상현상과 파이오니어 이상현상을 하나의 수정된 중력 상호작용 항으로 운동 방정식에 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 파이오니어 이상현상은 알려진 힘으로는 설명되지 않는 일정한 내향 가속도 $ (8.74 \pm 1.33) \times 10^{-10} \, \text{m/s}^2 $ 로 특징지어지며, 이는 새로운 물리학을 시사한다.
• 플라이바이 이상현상은 지구 중력 보조 후 우주선의 속도가 약 $ 10^{-4} \, \text{m/s} $ 증가하는 일관된 패tern을 보이며, 기존 모델에서는 설명되지 않는다.
• 천문단위는 약 연간 10미터의 비율로 증가하는 것으로 관측되어 태양계 척도의 장기적 변화를 시사한다.
• 우주 마이크파배경복사의 이중극 및 삼중극 성분은 태양계의 운동량과 이상하게 정렬되어 있어 통계적 등방성 원칙을 도전한다.
• $ \frac{GM}{c^2 r^2} \dot{r}^i $ 및 $ \frac{GM}{c^2 r^2} (\mathbf{r} \cdot \dot{\mathbf{r}}) \frac{r^i}{r} $ 비례 항을 포함한 수정된 운동 방정식은 원칙적으로 지구 근처에서 속도에 의존하는 가속도를 생성함으로써 플라이바이 이상현상을 기술할 수 있다.
• 수정된 역학은 에너지를 보존하지 않으며, 이는 기초 이론이 표준 일반 상대성 이론이나 뉴턴 중력 이론을 초월한 새로운 프레임워크가 필요함을 시사한다.