[논문 리뷰] On the influence of global cosmological expansion on the dynamics and kinematics of local systems

Matteo Carrera, Domenico Giulini|arXiv (Cornell University)|2008. 10. 15.

Relativity and Gravitational Theory인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 국소적 천체역학 시스템(예: 궤도 운동 및 밀집 천체)에 대한 전역 우주 팽창의 영향을 조사하고, 이론적으로 비정상적인 파이오니어 가속도의 원인이 될 수 있는지를 평가한다. 연구 결과, 관측된 10^-9 m/s²의 가속도를 설명하기에는 우주의 팽창 효과가 너무 미미하다는 결론을 내리며, 일반 상대성 이론을 통해 대규모 운동과 국소 물리학을 연결하는 데 있어 여전히 도전 과제가 남아 있음을 강조한다.

ABSTRACT

We review attempts to estimate the influence of global cosmological expansion on local systems. Here `local' is taken to mean that the sizes of the considered systems are much smaller than cosmologically relevant scales. For example, such influences can affect orbital motions as well as configurations of compact objects, like black holes. We also discuss how measurements based on the exchange of electromagnetic signals of distances, velocities, etc. of moving objects are influenced. As an application we compare orders of magnitudes of such effects with the scale set by the apparently anomalous acceleration of the Pioneer 10 and 11 spacecrafts, which is 10^-9 m/s^2. We find no reason to believe that the latter is of cosmological origin. However, the general problem of gaining a qualitative and quantitative understanding of how the cosmological dynamics influences local systems remains challenging, with only partial clues being so far provided by exact solutions to the field equations of General Relativity.

연구 동기 및 목표

• 전역적 우주 팽창이 궤도 및 밀집 천체와 같은 국소적 천체역학 시스템에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 전기자기 신호 교환 기반 측정(거리 및 속도 추정 포함)에 우주 팽창이 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 관측된 10^-9 m/s² 비정상적 가속도와 비교하여 우주 팽창 효과의 크기를 평가하기 위해.
• 우주 역학적 동역학이 파이오니어 이면의 원인으로 질적 또는 양적으로 설명될 수 있는지 평가하기 위해.
• 대규모 우주 역학적 동역학과 국소 물리 시스템 간의 상호작용을 이해하는 데 있어 열려 있는 과제를 규명하기 위해.

제안 방법

• 아인슈타인 장 방정식의 정확한 해를 검토하여 전역 팽창이 국소 시스템에 미치는 영향에 대한 통찰을 도출하기 위해.
• 우주의 거리 척도보다 훨씬 작은 척도에서 전역 팽창의 영향을 받는 유한한 시스템의 운동학 및 역학을 분석하기 위해.
• 궤도 및 밀집 천체 구조에 대한 우주 패러미터의 영향의 주요 크기를 추정하기 위해.
• 이러한 추정된 영향을 파이오니어 탐사선에서 관측된 비정상적 가속도(10^-9 m/s²)와 비교하기 위해.
• 확장되는 시공간에서 신호 전파 및 측정 왜곡을 모델링하기 위해 일반 상대성 이론 프레임워크를 사용하기 위해.
• 차원 분석 및 정성적 분석을 통해 우주의 영향이 관측된 국소 역학과 일관한지 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전역적 우주 팽창은 이중성계나 밀집 천체와 같은 국소 시스템의 궤도 역학에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ2 국소적 맥락에서 거리 및 속도 측정에 사용되는 전자기 신호 교환은 우주 팽창으로 인해 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 파이오니어 10호 및 11호 탐사선에서 관측된 10^-9 m/s² 비정상적 가속도는 우주 팽창의 영향으로 기인할 수 있는가?
• RQ4 일반 상대성 이론의 정확한 해를 바탕으로, 우주의 영향이 국소 시스템에 미치는 정량적 한계는 무엇인가?
• RQ5 우주의 역학적 동역학과 국소 물리학 간의 상호작용을 완전히 이해하는 데 있어 근본적인 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 우주 팽창은 우주의 척도보다 훨씬 작은 크기의 국소 시스템에 거의 영향을 미치지 않는다.
• 전역 팽창이 국소 역학에 미치는 영향의 추정치는 파이오니어 탐사선에서 관측된 10^-9 m/s² 가속도보다 수 개의 주기수만큼 작다.
• 이 분석 결과로는 파이오니어 이면의 원인이 우주의 기원을 지닌다는 설득력 있는 증거가 없다.
• 아인슈타인 장 방정식의 정확한 해는 우주의 역학이 국소 시스템에 미치는 영향에 대해 부분적인 통찰만 제공한다.
• 대규모 팽창이 국소 역학에 미치는 영향을 이해하는 문제는 여전히 근본적으로 도전적이며 해결되지 않은 채로 남아 있다.
• 전자기 신호 기반 측정은 우주 팽창의 영향을 받지만, 이러한 영향은 파이오니어 이면을 설명하기에는 너무 미미하다.