[논문 리뷰] Support for a prosaic explanation for the anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11

Louis K. Scheffer|ArXiv.org|2001. 06. 04.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 파이오니어 10호 및 11호 우주선에서 관측된 이례적인 가속도가 우주선 본체의 비등방성 열복사 때문이라고 제안한다. 열절연 및 구조 설계로 인해 대부분의 열이 태양 반대편(앞면)에서 방출되기 때문이다. 계산 결과 이 효과가 관측된 $8 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$ 가속도의 대부분 또는 전부를 설명할 수 있으며, 새로운 물리학이 필요 없이 이 이면을 해결할 수 있다.

ABSTRACT

Anderson, et al., find the measured trajectories of Pioneer 10 and 11 spacecraft deviate from the trajectories computed from known forces acting on them. This unmodelled acceleration can be accounted for by non-isotropic radiation of spacecraft heat. This explanation was first proposed by Murphy, but Anderson, et al. felt it could not explain the observed effect. This paper includes new calculations on the expected magnitude of this effect, based on the relative emissivities of the different sides of the spacecraft, as estimated from the known spacecraft construction. The calculations indicate the proposed effect can account for most, if not all, of the unmodelled acceleration.

연구 동기 및 목표

• 기본 힘에 기반한 예측과 다름없이 나타나는 파이오니어 10호 및 11호의 이례적 가속도를 해결하기 위해.
• 비등방성 열복사가 모델링되지 않은 가속도의 원인임을 시험하기 위해.
• 앤더슨 등이 제기한 반론에 대응하기 위해 — 즉, 닫힌 루버(창문)는 복사를 등방성으로 만들며 따라서 효과가 없을 것이라는 주장에 대비하여.
• 실제 우주선 설계 및 열적 성질을 바탕으로 열복사력에 대한 정량적 추정을 제공하기 위해.
• 중앙 장비실에서 열이 일정하게 방출되기 때문에, 전력 감소에도 불구하고 가속도가 안정된다는 점을 설명하기 위해.

제안 방법

• 다각형 중심 실내 구조, 다층 절연재, 루버 메커니즘 등을 포함한 우주선의 알려진 설계 정보를 바탕으로 파이오니어 우주선의 열복사 모델링.
• 균일한 내부 온도를 가정하고, 표면 면적과 효과적 발산율을 기반으로 각 표면(앞면, 뒷면, 측면)의 복사 전력 계산.
• 복잡한 표면 특성과 재료 마감을 고려할 때, 앞면(태양 반대편)의 효과적 발산율을 0.27로 추정.
• 복사력에 대한 영향을 평가하기 위해 라디오 비트 전력 기여도를 분석하며, 8와트 및 36 dBm(3.98와트) 값을 사용해 민감도 테스트.
• 복사 패턴(등방성 또는 빛줄기 형태)에 따라 열복사력이 어떻게 변하는지 평가하여 가능한 가속도의 범위를 추정.
• 핵심 시스템(예: 송신기, 명령 시스템 등)의 전력 소산을 추적함으로써 시간에 따른 이례적 가속도의 안정성을 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파이오니어 우주선 본체에서 발생하는 비등방성 열복사가 관측된 이례적 가속도를 설명할 수 있는가?
• RQ2 전체 우주선 전력이 크게 감소함에도 불구하고 이례적 가속도가 거의 일정하게 유지되는 이유는 무엇인가?
• RQ3 닫힌 루버 구조는 열복사의 방향성과 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 라디오 비트 및 기타 구성 요소는 순비중력력에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 세부적인 열모델링을 통해 관측된 가속도의 전체 크기를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 닫힌 루버가 존재하더라도, 높은 열절연성과 뒷면 및 측면의 낮은 발산율로 인해 파이오니어 우주선의 앞면(태양 반대편)이 열복사의 주요 원천이 된다.
• 앞면 표면의 복합 발산율 0.27은 관측된 표면의 복잡성과 재료 마감과 일치하며 타당성이 있다.
• 앞면에서 발생하는 열복사만으로도 관측된 $7.84 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$ 가속도의 약 $5.2 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$ 를 설명할 수 있다.
• 복사가 빛줄기 형태로 집중된다면, 힘은 $7.8 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$ 에 도달하며, 이는 관측값과 매우 가까운 수준이다. 이는 실제 값이 등방성 모델과 빛줄기 모델 사이에 있음을 시사한다.
• 이례적 가속도의 시간적 안정성은 핵심 장비가 포함된 중앙 장비실에서 전력 소산이 거의 일정하게 유지되기 때문이다.
• 가설은 관측과 잘 부합하며 강건하다: 유사한 효과는 다른 우주선에서도 기대되지만, 행 星이나 큰 천체에서는 나타나지 않는다.