[논문 리뷰] On a recently proposed scalar-tensor-vector metric extension of general relativity to explain the Pioneer anomaly

Lorenzo Iorio|ArXiv.org|2006. 08. 21.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 파이오니어 이상현상의 원인을 설명하기 위해 거리에 따라 변하는 중력상수를 제안하는 브라운슈타인과 모프라의 스칼라-텐서-벡터(STVG) 중력 모델을 시험한다. 최신 행성 근점의 진동 관측 데이터를 사용하여, 목성, 토성, 천왕성에 대한 모델의 예측한 비정상적인 가속도가 측정된 값과 심각하게 불일치함을 발견하여, 이 모델이 파이오니어 이상현상의 타당한 설명이 되지 못함을 거부한다.

ABSTRACT

Recently, Brownstein and Moffat proposed a gravitational mechanism to explain the Pioneer anomaly based on their scalar-tensor-vector (STVG) metric theory of gravity. In this paper we show that their model, fitted to the presently available data for the anomalous Pioneer 10/11 acceleration, is in contrast with the latest determinations of the perihelion extra-rates of Jupiter, Saturn and Uranus.

연구 동기 및 목표

• 브라운슈타인과 모프라의 STVG 중력 모델이 파이오니어 이상현상을 설명하는 데 가능성이 있는지 시험하기.
• 외행성에 대한 모델의 예측한 비정상적인 가속도가 관측 데이터와 충돌하는지 평가하기.
• E.V. 피트예바의 최신 행성 에페머리디스를 사용하여 독립적이고 명확한 시험 수행하기.
• 내부 태양계를 초월한 행성 궤도 운동에 의한 제약 조건에 대해 모델의 강건성 평가하기.
• 모델이 파이오니어 데이터를 잘 맞추더라도 천체물리 관측 결과와 일치하는지 판단하기.

제안 방법

• STVG 모델의 반경 방향 추가 가속도 공식 A_BM을 사용하며, 이는 매개변수 ζ(r)와 λ(r)를 포함한 거리에 따라 변하는 G(r)에서 유도된다.
• 브라운슈타인과 모프라(2006)에서 구한 매개변수를 적용: ζ∞ = 1.00×10⁻³, λ∞ = 47 AU, d = 4.6 AU, b = 4.0, 이를 통해 목성, 토성, 천왕성에 대한 예측 가속도를 계산한다.
• 모델의 예측 가속도를 피트예바의 EPM2004 행성 에페머리디스에서 유도된 관측된 근점 진동의 추가 비율과 비교한다.
• 광학 데이터의 보수적인 오차 추정치를 반영하기 위해 공식적 불확도를 10배와 50배로 확장하여 비교한다.
• 예측된 가속도와 관측된 가속도 간의 격리 정도를 표준편차(σ) 단위로 정량화하며, 목성, 토성, 천왕성에 대해 각각 37, 7, 6의 값을 얻는다.
• 현상학적이고 모델에 종속되지 않는 분석도 수행하여, 일정한 파이오니어 유사 가속도를 가정함으로써 천왕성의 근점 데이터와의 일관성 테스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STVG 모델이 목성에 대해 예측하는 비정상적 가속도가 그의 근점 진동률 관측 제약 조건과 일치하는가?
• RQ2 STVG 모델이 예측하는 토성의 가속도는 그의 추가 근점 진동률에 대한 최신 관측 결과와 일치하는가?
• RQ3 STVG 모델은 천왕성의 비정상적 궤도 운동의 정상적인 진동률을 고려할 때 파이오니어 이상현상을 설명할 수 있는가?
• RQ4 관측 불확도에 대해 보수적인 오차 추정치를 적용했을 때 모델의 일관성이 얼마나 강건한가?
• RQ5 순수 현상학적 모델이 일정한 내향적 가속도를 가정할 경우, 천왕성의 관측된 근점 진동률과 일치하는가?

주요 결과

• STVG 모델이 예측한 목성의 가속도(0.260 m/s²)는 관측된 격리치(0.001 ± 0.007 m/s²)보다 37배나 크며, 심각한 불일치를 시사한다.
• 토성의 경우 모델 예측값은 3.136 m/s²이며, 관측된 격리치는 -0.134 ± 0.423 m/s²로, 7σ의 격리가 발생한다.
• 천왕성의 경우 모델 예측값은 8.660 m/s²이며, 관측된 격리치는 0.058 ± 1.338 m/s²로, 6σ의 격리가 발생한다.
• 보수적인 오차 확장(×10 또는 ×50)을 적용해도 모델의 예측은 관측 결과와 호환되지 않으며, 특히 목성의 경우 더욱 심각하다.
• 일정한 파이오니어 유사 가속도를 가정하는 모델에 종속되지 않는 분석에서 천왕성의 근점 진동률에 대한 예측은 83.58 ± 12.71 초각/세기이며, 이는 관측된 0.57 ± 13.0 초각/세기와는 정반대이므로 기각된다.
• 결과적으로, STVG 모델은 외부 태양계의 행성 궤도 운동 제약 조건을 위반하지 않고서는 파이오니어 이상현상을 설명할 수 없다는 것이 강력히 시사된다.