[논문 리뷰] Gravity tests with INPOP planetary ephemerides

A. Fienga, J. Laskar외 4명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2009. 06. 22.

Astro and Planetary Science인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 INPOP08 행성일식표를 사용하여 일반 상대성 이론을 시험하고, 행성의 근일점 이동을 분석함으로써 태양의 편평도(비틀림) J₂를 제약한다. 다중 행성 추적 데이터를 활용하여 상대론적 매개변수 β와 태양의 J₂, 소행성 고리 효과 간의 상관관계를 해소하고, 태양계의 행성 운동에서 1/4 파이오니어 이상현상보다 큰 일정한 가속도가 존재하지 않는다는 증거를 찾는다.

ABSTRACT

In this paper, we present several gravity tests made in using the last INPOP08 planetary ephemerides. We first propose two methods to estimate the PPN parameter $β$ and its correlated value, the Sun J2 and we discuss the correlation between the Sun J2 and the mass of the asteroid ring. We estimate possible advance in the planet perihelia. In the end we show that no constant acceleration larger than 1/4 the Pioneer anomaly can affect the planets of our solar system.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 행성일식표를 사용하여 일반 상대성 이론의 매개변수화된 후뉴턴(PPN) 매개변수 β를 시험하기 위해.
• 다중 행성 추적 데이터를 활용하여 PPN 매개변수 β를 태양의 편평도(J₂) 및 소행성 고리 교란과 상관관계에서 분리하기 위해.
• 관측 불확도와 신호 대 잡음비를 고려하여 수성, 금성, 화성의 이례적 근일점 이동의 탐지 가능성을 평가하기 위해.
• 일정한 가속도가 파이오니어 이상현상과 유사한 경우, 일식표에서 감지되지 않도록 행성 궤도에 영향을 미칠 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 화성 탐사선(MEX), 금성 탐사선(VEX) 및 기타 태양계 외부 탐사 임무의 추적 데이터를 통합한 INPOP08 행성일식표를 사용한다.
• PPN 매개변수 β와 태양의 J₂를 추정하기 위해 두 가지 방법을 적용하며, 궤도의 동시 피팅을 통해 강한 상관관계를 고려한다.
• 24,635개의 소행성 물리적 성질을 기반으로 질량과 거리를 추정하여 소행성 belt를 단일 고리로 모델링하여 집합적 교란 효과를 시뮬레이션한다.
• 관측 각도 및 거리 불확도와 비교하여 예측된 상대론적 이동과 J₂에 기인한 이동을 기반으로, 근일점 이동 효과의 신호 대 잡음비(S/N)를 평가한다.
• 파이오니어 이상현상 가정을 시험하기 위해 행성 운동 방정식에 일정한 태양 방향 가속도(8.75×10⁻¹⁰ m/s²)를 추가하고, 가속도 유무에 따라 잔차를 비교한다.
• 우주선의 궤도 위치에 대한 피팅 후 잔차 분석을 목성과 해왕성의 위치에 대해 수행하여, 일정한 가속도로 인한 시스템적 잔여 효과가 남아 있는지 검토한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PPN 매개변수 β를 태양의 J₂ 및 소행성 고리 효과와 상관관계가 있을 때도 신뢰성 있게 추정할 수 있는가?
• RQ2 금성과 화성의 추적 데이터는 다른 행성에 비해 상대론적 효과 및 태양의 편평도 효과에 대해 얼마나 더 민감한가?
• RQ3 파이오니어 이상현상과 유사한 일정한 가속도는 행성 일식표 피팅 과정에 흡수될 수 있는가, 아니면 감지 가능한 잔차를 남기는가?
• RQ4 현재 일식표 모델링 및 관측 데이터 기반으로 태양계에서 감지 가능한 최소 일정 가속도는 얼마인가?
• RQ5 외행성(목성, 해왕성)의 역학은 가상의 일정한 가속도에 어떻게 반응하는가? 이러한 효과는 잡음 속에 숨겨질 수 있는가?

주요 결과

• 금성의 경우 일반 상대성 이론과 태양의 J₂ 효과를 탐지하기 위한 신호 대 잡음비는 172이며, 화성의 경우 130이다. 이는 금성 데이터가 이러한 시험에 대해 화성 데이터보다 약 7배 더 효율적임을 의미한다.
• VEX 임무를 4년으로 연장하고 1 밀리아크세컨드(VLBI) 추적을 적용할 경우, 수성의 800m 정밀도 레이더 측정과 동일한 효과를 갖는다.
• 8×10⁻¹⁰ m/s²의 일정한 가속도—표준 파이오니어 이상현상 값의 4분의 1—는 일식표 피팅 과정에 흡수되지 않으며, 1930년 이후 우주의 우주선의 Right Ascension에 감지 가능한 잔차를 남긴다.
• 해왕성과 Pluto의 경우, 일정한 가속도의 영향은 피팅 과정에 의해 흡수되어, 외행성 데이터는 이러한 신호에 대해 덜 민감하다는 것을 시사한다.
• INPOP08 일식표에서 파악된 바와 같이, 파이오니어 이상현상의 1/4을 초과하는 일정한 가속도는 태양계의 행성에 영향을 미치지 않으면서도 감지되지 않는다는 증거가 없다.
• 태양의 J₂와 소행성 고리 질량 간의 상관관계는 뚜렷하지만, 외행성 데이터(예: 토성)를 활용하면 고리는 영향을 받지 않지만 J₂에는 민감한 점을 이용해 이를 분리할 수 있다.