[論文レビュー] First evidence of the general relativistic gravitomagnetic field of the Sun and new constraints on a Yukawa-like fifth force

Lorenzo Iorio|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2005

Astro and Planetary Science被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、改良された惑星エフェマリスを用いて、太陽からの一般相対性理論的重力磁気的レンス＝シルリング効果の観測的証明を初めて提示した。水星、地球、火星の近日点移動に生じる微小な近日点進動が、相対論的予測と一致しており、1天文単位付近でのヤクーバー型第五力に対する新たな制約を10^-12から10^-13のレベルで得た。

ABSTRACT

The post-Newtonian general relativistic gravitomagnetic Lense-Thirring precessions of the perihelia of the inner planets of the Solar System amount to 10^-3 arcseconds per century. Up to now they were always retained too small to be detected. Recent improvements in the planetary ephemerides determination yield the first observational evidence of such a tiny effect. Indeed, extra-corrections to the known perihelion advances of -0.0036\\pm 0.0050, -0.0002\\pm 0.0004 and 0.0001\\pm 0.0005 arcseconds per century were recently determined by E.V. Pitjeva for Mercury, the Earth and Mars, respectively. They were based on the EPM2004 ephemerides and a set of more than 317 000 observations of various kinds. The predicted relativistic Thirring-Lense precessions for these planets are -0.0020, -0.0001 and -3\ imes 10^-5 arcseconds per century, respectively and are compatible with the measured perihelia corrections, although the experimental errors are still large. The data from the forthcoming BepiColombo mission to Mercury will improve our knowledge of the orbital motion of this planet and, consequently, the precision of the measurement of the Thirring-Lense effect. As a by-product of the present analysis, it is also possible to constrain the strength of a Yukawa-like fifth force to a $10^-12-10^-13 level at scales of about one Astronomical Unit.

研究の動機と目的

• 現在の惑星エフェマリスを用いて、未だ検出不能であった後ニュートン的効果としての一般相対性理論的重力磁気的レンス＝シルリング効果による近日点進動を検出すること。
• 高精度な惑星軌道データを用いて、仮説的な第五力、特にヤクーバー型相互作用に対する制約を強化すること。
• EPM2004エフェマリスと317,000件を超える観測データを活用し、微細な相対論的補正を抽出すること。
• BepiColomboミッションのような将来的なミッションが、このような測定の精度をどの程度向上させ得るかを評価すること。

提案手法

• 様々なソースからの317,000件を超える観測データ点を統合したEPM2004惑星エフェマリスを用いた。
• 標準的なニュートン的および相対論的効果を超える異常な補正を抽出するために、惑星の近日点進動を精緻に分析した。
• 観測された近日点補正を一般相対性理論におけるレンス＝シルリング効果の理論的予測と比較した。
• 約1天文単位スケールでの軌道力学のずれをフィッティングすることで、ヤクーバー型第五力に対する制約を組み込んだ。
• 観測補正の理論的期待値に対する有意性を評価するために、統計的誤差伝搬を用いた。
• 観測された近日点シフトが、それぞれ水星、地球、火星について-0.0020、-0.0001、-3×10^-5弧秒/世紀の予測される重力磁気的進動とどの程度整合するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の惑星エフェマリスを用いて、一般相対性理論的重力磁気的レンス＝シルリング効果による近日点進動を検出できるか？
• RQ2 水星、地球、火星の観測された近日点補正は、予測された相対論的重力磁気的効果とどの程度一致するか？
• RQ3 高精度な惑星軌道データを用いて、1天文単位付近のヤクーバー型第五力にどの程度の制約を課せるか？
• RQ4 現在の観測誤差は、重力磁気的効果の検出をどの程度制限しているか？
• RQ5 BepiColomboミッションからの将来的なデータは、レンス＝シルリング効果の測定精度をどの程度向上させるか？

主な発見

• 水星、地球、火星の観測された近日点補正（それぞれ-0.0036±0.0050、-0.0002±0.0004、0.0001±0.0005弧秒/世紀）は、予測された一般相対性理論的レンス＝シルリング進動と整合的である。
• 3つの惑星の予測される重力磁気的進動（それぞれ-0.0020、-0.0001、-3×10^-5弧秒/世紀）は、観測誤差の範囲内にある。
• この分析により、極めて小さい効果であるにもかかわらず、太陽の重力磁気的場の観測的証明が初めて得られた。
• データは、1天文単位前後の距離においてヤクーバー型第五力の強さを10^-12から10^-13のレベルに制限している。
• 現在の実験的誤差は依然として大きく、しかし将来的なミッション（例：BepiColombo）により測定精度が著しく向上すると予想される。
• 観測された進動と予測された進動の整合性は、太陽系の弱い場、ゆっくりとした運動の領域における一般相対性理論の妥当性を支持する。