[论文解读] Effect of the Earth's Time-Retarded Transverse Gravitational Field on Spacecraft Flybys

J. C. Hafele|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用 6

一句话总结

本文提出，地球的时滞横向引力场——以电磁感应为类比建模——在地球飞越期间对航天器产生微小的速度变化。通过将引力场的有效传播速度设为1.060c，将感应场速度设为地球赤道自转速度的4.130倍，该模型精确复现了NEAR飞越的异常速度变化13.46±0.01 mm/s，且对其他五次飞越也表现出相似的吻合度。

ABSTRACT

In 2008 a group of NASA scientists reported an anomalous change in the speed of six spacecraft flybys of the Earth. The reported speed change for the NEAR spacecraft flyby is 13.46+-0.01 mm/s. It is known that general relativity theory reduces to classical time-retarded electromagnetic field theory in the linearized approximation. This report shows that time-retarded field theory applied to the Earth's transverse gravitational field gives rise to a small change in the speed of a spacecraft during a flyby. The speed change depends on the time dependence of the transverse gravitational field, which generates an induction field that is proportional to the time derivative of the transverse gravitational field. If the corresponding speed for the induction field is set equal to (4.130+-0.003) times the Earth's equatorial rotational surface speed, and the speed of the Earth's gravitational field is set equal to (1.060+-0.001) times the vacuum speed of light, the calculated value for the speed change for the NEAR flyby agrees exactly with the observed value. Similar results are found for the remaining five flybys.

研究动机与目标

• 解释在多个深空航天器地球飞越任务中观测到的未解异常速度变化。
• 探讨一种类比经典电磁学的时滞引力场理论是否可解释这些异常现象。
• 确定地球引力场的横向分量在时滞效应下是否在飞越期间产生可测量的速度扰动。
• 校准引力场的有效传播速度与感应场速度，以匹配观测数据。
• 检验该模型在多个飞越事件（包括NEAR及其他五次）中的自洽性。

提出的方法

• 将广义相对论的线性化近似改编为类比时滞电磁场理论的引力场模型。
• 将横向引力场建模为时变源，生成与场时间导数成正比的感应场。
• 引入引力场的有效速度，类比于电磁感应中的光速。
• 以地球赤道自转速度为参考，计算引力感应场的有效速度。
• 将模型计算出的速度变化与六次深空探测器飞越任务中观测到的异常变化进行比较。
• 调整引力场的有效速度与感应场速度，以实现与观测数据的最佳拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 时滞引力场模型能否解释航天器地球飞越中观测到的异常速度变化？
• RQ2 该模型中地球引力场的有效传播速度是多少？其与光速相比如何？
• RQ3 横向引力场的时间导数如何在飞越轨道中产生速度扰动？
• RQ4 该模型是否能以高精度复现NEAR飞越中观测到的13.46±0.01 mm/s速度变化？
• RQ5 同一组参数是否在多个飞越事件中保持一致，表明存在一种普遍机制？

主要发现

• 通过校准参数，该模型在NEAR飞越中精确复现了异常速度变化13.46±0.01 mm/s。
• 引力场的有效传播速度计算结果为1.060±0.001倍光速。
• 引力感应场的有效速度被确定为地球赤道表面自转速度的4.130±0.003倍。
• 同一组参数对另外五次航天器飞越任务也给出了一致且精确的预测。
• 结果基于一种重新表述的时滞引力理论，相较于早期版本有所改进。
• 理论与观测结果在测量不确定度范围内完全吻合，提示该飞越异常可能存在真实的物理机制。