[논문 리뷰] Optical Design for the Laser Astrometric Test of Relativity

Slava G. Turyshev, Michael Shao외 1명|ArXiv.org|2005. 02. 25.

History and Developments in Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론을 초당위치 정밀도로 테스트하기 위해 지구 위성 궤도에서 레이저 상호간섭계를 이용한 우주 기반 광학 간섭측정 임무인 레이저 천체측정 상대성 테스트(LATOR)를 제안한다. 태양 근처에서 중력에 의한 빛의 굴절과 행성 간 척도에서 셰이퍼 시간 지연을 측정함으로써, LATOR는 에딩턴 매개변수 γ를 10^9분의 1의 정밀도로 측정하여 카시니 임무의 결과보다 30,000배 높은 민감도로 스칼라-텐서 중력 이론의 영향을 탐색한다.

ABSTRACT

This paper discusses the Laser Astrometric Test Of Relativity (LATOR) mission. By using a combination of independent time-series of highly accurate gravitational deflection of light in the immediate proximity to the Sun along with measurements of the Shapiro time delay on the interplanetary scales (to a precision respectively better than $10^{-13}$ radians and 1 cm), LATOR will significantly improve our knowledge of relativistic gravity. The primary mission objective is to i) measure the key post-Newtonian Eddington parameter $γ$ with accuracy of a part in 10$^9$. $(1-γ)$ is a direct measure for presence of a new interaction in gravitational theory, and, in its search, LATOR goes a factor 30,000 beyond the present best result, Cassini's 2003 test. Other mission objectives include: ii) first measurement of gravity's non-linear effects on light to $\sim$0.01% accuracy; including both the traditional Eddington $β$ parameter and also the spatial metric's 2nd order potential contribution (never been measured before); iii) direct measurement of the solar quadrupole moment $J_2$ (currently unavailable) to accuracy of a part in 200 of its expected size; iv) direct measurement of the ``frame-dragging'' effect on light by the Sun's rotational gravitomagnetic field to one percent accuracy. LATOR's primary measurement pushes to unprecedented accuracy the search for cosmologically relevant scalar-tensor theories of gravity by looking for a remnant scalar field in today's solar system. The key element of LATOR is a geometric redundancy provided by the laser ranging and long-baseline optical interferometry. We discuss the mission and optical designs of this proposed experiment.

연구 동기 및 목표

• 10^9분의 1의 정밀도로 에딩턴 매개변수 γ를 측정하여 중력의 순수 텐서 메트릭 성질을 테스트함으로써, 2003년 카시니의 결과를 30,000배 향상시키는 것.
• 빛의 전파에 대한 중력의 비선형 효과를 약 0.01%의 정밀도로 측정함으로써, 이전에 측정되지 않은 2차 공간 메트릭 포텐셜 기여를 포함한다.
• 기대값의 200분의 1 이내의 정밀도로 태양의 이계편모량 J₂를 직접 측정하여 현재 관측적 간극을 해결한다.
• 빛의 전파에 대한 태양의 회전에 의한 비틀림 효과(중력장의 프레임 드래깅)를 1%의 정밀도로 측정하여 회전 중력 효과를 탐색한다.

제안 방법

• 두 개의 마이크로우주선과 국제우주정거장(ISS)의 비콘 지점 간 장거리 광학 간섭측정 및 레이저 레인지잉을 이용하여 기하학적 재dundancy와 정확한 기준선 결정을 달성한다.
• 窄대역 필터, 코로나그래프 광학 장치, 이성간 탐지 기술을 활용하여 태양 배경 빛을 억제하고 태양 가장자리 근처에서 신호를 확보한다.
• ISS의 궤도 운동을 활용하여 기준선 투영을 변화시켜 정적 간섭측정 시스템에서 흔히 발생하는 프ringe 모호성 문제를 해결한다.
• μg 가속도계를 사용하여 ISS 기구의 진동을 완화시켜 안정적인 간섭측정을 보장한다.
• 우주에서 검증된 기술로 개발된 기존의 항공우주 간섭측정 임무(SIM) 기술을 활용하여 빠른 임무 개발과 높은 신뢰성을 확보한다.
• 지구 대기권 상단에서 운영되어 대기 중 천체측정 노이즈를 피하고, 지상 기반 시스템으로서는 달성할 수 없는 고정밀 측정을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에딩턴 매개변수 γ를 10^9분의 1의 정밀도로 측정할 수 있는가? 이는 일반 상대성 이론의 텐서 메트릭 구조에 대한 가장 엄격한 테스트가 될 것이다.
• RQ2 태양 중력장에서 빛 굴절에 대한 2차 비선형 기여를 약 0.01%의 정밀도로 측정할 수 있는가? 이는 표준 후-뉴턴 이론을 초월한 효과를 드러내는가?
• RQ3 태양의 이계편모량 J₂는 0.5%의 정밀도로 직접 측정 가능한가? 이는 현재 태양계 모델에서의 불확실성을 해결하는가?
• RQ4 빛 전파에 대한 태양의 회전에 의한 중력장의 프레임 드래깅 효과는 1%의 정밀도로 감지 가능한가? 이는 일반 상대성 이론이 예측한 회전 중력 효과를 확인하는가?
• RQ5 실험은 우주 진화의 잔여 스칼라 장을 감지하여 순수 텐서 중력에서의 이탈을 보여주며, 스칼라-텐서 이론을 지지하는가?

주요 결과

• LATOR 임무는 10^9분의 1의 정밀도로 에딩턴 매개변수 γ를 측정하도록 설계되어 있으며, 이는 카시니 2003년 측정 결과보다 30,000배 향상된 것이다.
• 실험은 태양 중력장에서의 2차 비선형 빛 굴절 항목을 약 0.01%의 정밀도로 측정하여, 이 효과에 대한 첫 번째 직접 관측을 가능하게 한다.
• 기대값의 200분의 1 이내의 정밀도로 태양의 이계편모량 J₂를 직접 측정하여 현재 관측 불확실성을 해결한다.
• 태양의 회전에 의한 빛 전파에 대한 프레임 드래깅 효과를 1%의 정밀도로 측정하여, 중력장의 비틀림 효과에 대한 새로운 테스트를 제공한다.
• 기하학적 재dundancy와 레이저 간섭측정을 기반으로 한 임무의 광학 설계는 프링 프로브를 제거하고 태양 근처에서 고정밀 천체측정을 가능하게 한다.
• 기존 기술 수준이 검증된 ISS를 안정적 플랫폼으로 활용하고 고도의 광학 기술을 적용함으로써, LATOR는 기술 준비도가 높은 중형 탐사선(MIDEX) 임무로 실현 가능하다.