[논문 리뷰] Solar Mass Loss, the Astronomical Unit, and the Scale of the Solar System

Peter D. Noerdlinger|ArXiv.org|2008. 01. 24.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 47인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 태양 질량 손실이 약 ~9.13×10⁻¹⁴ M☉/yr로 추정되며, 이로 인해 행성 궤도가 팽창하고 궤도 주기가 연장되지만, 현재 정의에 따라 천문단위(AU)는 로그적으로 수축해야 한다는 점을 조사한다. 이는 AU를 기준 태양 질량으로 재정의하거나 가우스 중력상수를 조정하여 안정적인 AU를 유지하기 위한 제안을 한다. 이는 천체계력 예측 정확도 및 약한 상호작용 입자(아키온) 방출과 변하는 중력상수에 대한 제약 조건에 영향을 미친다.

ABSTRACT

The radiative and particulate loss of mass by the Sun, -9.13*10^-14 Solar masses per year or more causes the orbits of the planets to expand at the same rate, and their periods to lengthen at twice this rate. Unfortunately, under the present definition of the Astronomical Unit (AU) based on the fixed Gaussian gravity constant kGS = 0.01720209895 (AU)^1.5/day, the value AUmet of the AU in meters must decrease at 1/3 this rate, all these rates being expressed logarithmically. The progress of the planets along their orbits slows quadratically with time. For example, in one century Mercury would lag behind the position predicted using constant solar mass by almost 1.4 km, in two centuries 5.5 km. The value of AUmet can be made constant by redefining it, based on a reference solar mass unit, such as the solar mass at J2000; else, the solar Gaussian gravity constant kGS used in defining the AU could be redefined proportional to the square root of the solar mass. Improved accuracy of the ephemerides would impose useful bounds on losses due to axion emission (Sikivie 2005). With no axion emission the Earth's semi-major axis grows 1.37 m/cy; with the maximum allowable such emission the result is 1.57 m/cy. Under reasonable assumptions about alternate gravity theories, radar delay data are used to show that the effect of a changing Newtonian gravity constant is negligible.

연구 동기 및 목표

• 태양 질량 손실이 행성 궤도 팽창과 주기 연장에 미치는 역학적 영향을 조사하기.
• 현재 천문단위(AU) 정의가 태양 질량 손실로 인해 AUmet이 로그적으로 감소하게 되는 이유를 분석하기.
• 안정적인 AU 값 유지를 위해 AU 또는 가우스 중력상수(kGS)의 대체 정의를 제안하기.
• 레이더 지연 및 천체계력 데이터를 활용하여 아키온 방출과 대체 중력 이론에 제약을 가하기.
• 변하는 뉴턴 중력상수가 태양계 역학에 끼치는 영향 평가하기.

제안 방법

• 궤도 역학을 활용하여 태양 질량 손실로 인한 궤도 팽창 및 주기 연장 속도 유도하기.
• 로그적 변화율을 적용하여 현재 AU 정의 하에서 AUmet의 수축 정도 정량화하기.
• 기준 태양 질량(예: J2000 기준 태양 질량)을 기반으로 AU 재정의 제안하여 값의 안정성 확보하기.
• AU 안정성을 유지하기 위해 가우스 중력상수 kGS를 태양 질량의 제곱근에 비례하도록 재정의할 것을 권장하기.
• 변하는 뉴턴 중력상수의 영향을 제한하기 위해 레이더 시간 지연 데이터 분석하기.
• 개선된 천체계력 데이터를 활용하여 예측된 궤도 팽창과 관측 제약 조건을 비교함으로써 아키온 방출 제약하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양 질량 손실은 행성 궤도 팽창률과 주기 연장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 현재 천문단위(AU) 정의가 태양 질량 손실에도 불구하고 AUmet이 로그적으로 감소하게 되는 이유는 무엇인가?
• RQ3 기준 태양 질량을 사용하거나 가우스 중력상수를 조정하여 AU를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ4 레이더 지연 데이터는 뉴턴 중력상수의 변화를 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ5 기대되는 지구의 장반경축 변화를 바탕으로 태양 질량 손실은 아키온 방출에 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• 약 ~9.13×10⁻¹⁴ M☉/yr의 태양 질량 손실은 행성 궤도가 동일한 비율로 팽창하고 궤도 주기가 그 두 배의 비율로 연장되게 한다.
• 현재 AU 정의 하에서 AUmet은 태양 질량 손실 속도의 1/3 속도로 로그적으로 감소하여 명백한 궤도 지연이 발생한다.
• 태양 질량 손실로 인한 궤도 지연으로 인해 수성은 1세기 후 약 1.4 km, 2세기 후 약 5.5 km 뒤처지게 된다.
• 아키온 방출이 없을 경우 지구의 장반경축은 1.37 m/cy 증가하고, 최대 아키온 방출 조건에서는 1.57 m/cy까지 증가한다.
• 레이더 지연 데이터 분석 결과, 변하는 뉴턴 중력상수가 태양계 역학에 미치는 영향은 무시할 만큼 작다.
• 개선된 천체계력 데이터를 통해 정밀한 궤도 진화 측정을 통해 아키온 방출과 대체 중력 이론에 대한 제약을 가질 수 있다.