[논문 리뷰] Simulation of the flyby anomaly by means of an empirical asymmetric gravitational field with definite spatial orientation

Hans-Juergen Busack|ArXiv.org|2007. 11. 18.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 6인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 갈릴레오, 네아르, 로제타, 카시니, 머서서의 행성 근처 유영 중 관측된 설명되지 않은 속도 증가(유영 이상현상)를 설명하기 위해, 지구 운동에 대해 고정된 공간적 방향을 가진 경험적 비대칭 중력장 모델을 제안한다. 지구 자전이나 다른 天체와의 결합 없이 구형 대칭을 깨뜨리는 수정된 중력 포텐셜을 사용함으로써, 모델은 관측된 도플러 잔차를 성공적으로 재현하고 향후 유영에 대한 이상현상을 예측하며, 표준 중력 이론의 현상학적 대안을 제공한다.

ABSTRACT

All anomalous velocity increases until now observed during the Earth flybys of the spacecrafts Galileo, NEAR, Rosetta, Cassini and Messenger have been correctly calculated by computer simulation using an asymmetric field term in addition to the Newtonian gravitational field. The specific characteristic of this term is the lack of coupling to the rotation of the Earth or to the direction of other gravitational sources such as the Sun or Moon. Instead, the asymmetry is oriented in the direction of the Earth's motion within an assumed unique reference frame. With this assumption, the simulation results of the Earth flybys Galileo1, NEAR, Rosetta1 and Cassini hit the observed nominal values, while for the flybys Galileo2 and Messenger, which for different reasons are measured with uncertain anomaly values, the simulated anomalies are within plausible ranges. Furthermore, the shape of the simulated anomaly curve is in qualitative agreement with the measured Doppler residuals immediately following the perigee of the first Earth flyby of Galileo. Based on the simulation, an estimation is made for possible anomalies of the recently carried out flybys of Rosetta at Mars on 25.02.07 and at the Earth on 13.11.07, and for the forthcoming Earth flyby on 13.11.09. It is discussed, why a so modelled gravitational field has not been discovered until now by analysis of the orbits of Earth satellites, and what consequences are to be considered with respect to General Relativity.

연구 동기 및 목표

• 다양한 태양계 간행성 탐사선의 지구 유영 중 관측된 설명되지 않은 속도 증가를 설명하기 위해.
• 표준 중력 모델이 예측하지 못하는 우주선의 예상치 못한 속도 변화로 인해 오랫동안 해결되지 않은 유영 이상현상을 다루기 위해.
• 새로운 물리학이나 지구 또는 다른 천체의 자전 또는 궤도 역학과의 결합 없이도 이상현상을 설명할 수 있는 현상학적 중력장 모델을 제안하기 위해.
• 기존의 유영 데이터에 대한 모델의 검증과 향후 임무에 대한 이상현상 예측을 위해.
• 일반 상대성 이론에 대해 이러한 필드의 의미와 왜 지구 인공위성 궤도 분 析에서 이를 감지하지 못했는지 논의하기 위해.

제안 방법

• 뉴턴 포텐셜에 경험적 비대칭 중력장 항을 추가하여 구형 대칭을 깨뜨리는 방법을 제안한다.
• 이 필드의 비대칭성은 지구 운동 방향과 일치하는 선호 관성 기준계 내에서 고정되어 있으며, 지구 자전이나 다른 중력원과는 독립적이다.
• 라그랑지안에 벡터 포텐셜 항으로서 이 필드를 수식화하여, 표준 중력 상수를 변경하지 않고 운동 방정식을 수정한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 유영 중 궤도 이탈과 도플러 이격을 계산하고, 실제 통신 데이터와 비교한다.
• 비대칭성의 공간적 방향을 고정시켜 다양한 유영 기하학과 임무 프로파일 간 일관성을 확보한다.
• 정확도가 낮은 측정치를 가진 유영, 예를 들어 갈릴레오2와 머서서의 경우 오차 분석 및 불확도 추정을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경험적 비대칭 중력장이 다양한 태양계 간행성 탐사선의 지구 유영 중 관측된 속도 이상현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 이러한 필드가 존재할 가능성에도 불구하고, 왜 지구 인공위성 궤도 분 析에서는 이를 감지하지 못했는가?
• RQ3 지구 운동에 대해 고정된 공간적 방향을 가진 모델이 이성적 속도 이격의 크기와 부호에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모의된 이상현상 곡선이 첫 번째 갈릴레오 유영의 페리지 근처에서 측정된 도플러 잔차와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 향후 유영, 특히 로제타의 2007년 화성 및 지구 유영과 2009년 예정된 지구 유영에 대해 예측되는 이상현상은 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 갈릴레오1, 네아르, 로제타1, 카시니의 관측된 정상적인 속도 이상현상을 고정밀도로 재현하였다.
• 갈릴레오2와 머서서의 경우, 모의 이상현상 값은 그들의 측정 정확도가 낮아서 허용 가능한 불확도 범위 내에 들어가 있어 일관성이 있다.
• 첫 번째 갈릴레오 유영의 도플러 잔차 곡선의 형태는 관측 데이터와 정성적으로 일치하며, 특히 페리지 근처에서 뚜렷하다.
• 모델은 로제타의 2007년 화성 유영과 2007년 지구 유영에 대해 측정 가능한 이상현상을 예측하며, 그 값은 기하학적 조건과 방향에 따라 달라진다.
• 이 이상현상은 지구 자전이나 태양·달 등의 중력원과의 결합 때문이 아니라, 지구 운동과 연결된 고정된 방향성 필드 때문임을 시사한다.
• 지구 인공위성 궤도 분 析에서 이 필드가 감지되지 않은 이유는 필드의 약한 방향성과 저궤도 위성이 태양계 간행성 유영와 같은 운동 조건을 샘플링하지 못하기 때문으로 기인한다.