[論文レビュー] A Mission to Explore the Pioneer Anomaly

The Pioneer Explorer Collaboration, H. Dittus+38 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2005

Astro and Planetary Science被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、未解明のパイオニア異常——パイオニア10号および11号のテレメトリで検出された約8.74×10⁻¹⁰ m/s²の持続的で太陽方向を向いた加速度——を解明するための共同ヨーロッパ米国宇宙探査ミッションを提案する。このミッションは、自由浮遊試験質量を備えたフォーメーションフライの宇宙船を用い、レーザー測距と高精度ナビゲーションにより、10⁻¹² m/s²に達する低周波数加速度を測定可能とし、一般相対性理論を超える新しい物理現象と従来のシステム的要因の明確な区別を可能にする。

ABSTRACT

The Pioneer 10 and 11 spacecraft yielded the most precise navigation in deep space to date. These spacecraft had exceptional acceleration sensitivity. However, analysis of their radio-metric tracking data has consistently indicated that at heliocentric distances of $\sim 20-70$ astronomical units, the orbit determinations indicated the presence of a small, anomalous, Doppler frequency drift. The drift is a blue-shift, uniformly changing with a rate of $\sim(5.99 \pm 0.01) imes 10^{-9}$ Hz/s, which can be interpreted as a constant sunward acceleration of each particular spacecraft of $a_P = (8.74 \pm 1.33) imes 10^{-10} { m m/s^2}$. This signal has become known as the Pioneer anomaly. The inability to explain the anomalous behavior of the Pioneers with conventional physics has contributed to growing discussion about its origin. There is now an increasing number of proposals that attempt to explain the anomaly outside conventional physics. This progress emphasizes the need for a new experiment to explore the detected signal. Furthermore, the recent extensive efforts led to the conclusion that only a dedicated experiment could ultimately determine the nature of the found signal. We discuss the Pioneer anomaly and present the next steps towards an understanding of its origin. We specifically focus on the development of a mission to explore the Pioneer Anomaly in a dedicated experiment conducted in deep space.

研究の動機と目的

• パイオニア10号および11号の追跡データに対する広範な分析にもかかわらず未解決のままであるパイオニア異常の起源を明確に特定すること。
• 異常が宇宙船内の従来のシステム的要因に起因するのか、あるいは太陽系スケールでの重力の修正や未知の力といった新しい物理現象を示唆するのかを検証すること。
• 観測された異常（約10⁻¹² m/s²）の3乗以上低い感度（10⁻¹² m/s²）を達成し、その真の性質を解明すること。
• 将来的な基礎物理ミッションを支援するため、深宇宙航行、推進、姿勢制御の先進技術を開発・実証すること。
• 深宇宙探査と基礎物理学研究を前進させる強固な国際的共同フレームワークを確立すること。

提案手法

• 主宇宙船に高精度の星走査器と加速度計を搭載し、5〜20 AUの位置で自由浮遊試験質量プローブを放出する2機の宇宙船によるフォーメーションフライ構成を採用する。
• 主宇宙船と試験質量間のレーザー測距により、DC帯域および低周波帯域で10⁻¹² m/s²未満の感度で相対加速度を測定する。
• Kaバンド電波追跡と光学通信を実装し、地球-主宇宙船間距離を高精度に決定することで、測距誤差を最小限に抑える。
• 試験質量を主宇宙船の外部に配置し、非重力的力から分離することで、外部からの干渉を低減するための干渉補償システムを導入する。
• 高精度の姿勢センサと高指向性アンテナを用い、特に太陽方向、地球指向、速度/回転軸成分の方向性を明確に区別する。
• 太陽 sail 推進を用いて、20 AUを超える太陽系内距離に効率的に到達可能な高速超回帰軌道を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パイオニア異常は、例えば熱的反動力といった宇宙船内でのモデル化されていない従来のシステム的要因に起因しているのか？
• RQ2 異常は太陽方向を向いており、重力的効果が想定されるように明確に方向性を持つのか？
• RQ3 残存するシステム的要因を除外できる十分な精度で、異常を再現・測定できるのか？
• RQ4 異常は20 AUを超えて距離に比例して変化するのか、それとも観測されたように一定のままであるのか？
• RQ5 一般相対性理論の拡張や太陽系スケールでの新しい物理現象によって異常を説明できるのか？

主な発見

• パイオニア異常は、パイオニア10号および11号のドップラー追跡により検出された持続的かつ一定の太陽方向加速度（8.74 ± 1.33）×10⁻¹⁰ m/s²である。
• 現在のデータでは、既知の宇宙船内システム的要因に起因するものではないとされており、他の宇宙船でも同様の現象は観測されていないため、その謎はい层い残されている。
• 提案されたミッションは、感度約10⁻¹² m/s²を達成するが、これは観測された異常の3乗以上高い感度である。
• 主宇宙船と放出された試験質量間のレーザー測距により、共通モードノイズの抑制と高精度な相対加速度測定が可能になる。
• ミッション設計にはフォーメーションフライ、太陽 sail 推進、高度な姿勢制御が含まれており、システム的誤差を最小限に抑え、異常を測定可能である。
• 既存および近い将来の技術を用いて、Cosmic Vision 2015–2025スケジュール内に実現可能であり、将来的な深宇宙科学に広範な応用が可能である。