[论文解读] Is the physics within the Solar system really understood?

Cláus Lämmerzahl, O. Preuss+1 more|ArXiv.org|Apr 11, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 52被引用 6

一句话总结

本文研究太阳系中未解的异常现象——先驱者异常、飞越异常、天文单位增加、四极/八极矩对齐，以及暗能量/暗物质——提出对先驱者任务进行系统性数据重新分析、对未来的飞越任务实施连续跟踪，以及开展钟比较实验，以检验广义相对论和标准宇宙学之外的新物理。

ABSTRACT

A collection is made of presently unexplained phenomena within our Solar system and in the universe. These phenomena are (i) the Pioneer anomaly, (ii) the flyby anomaly, (iii) the increase of the Astronomical Unit, (iv) the quadrupole and octupole anomaly, and (v) Dark Energy and (vi) Dark Matter. A new data analysis of the complete set of Pioneer data is announced in order to search for systematic effects or to confirm the unexplained acceleration. We also review the mysterious flyby anomaly where the velocities of spacecraft after Earth swing--bys are larger than expected. We emphasize the scientific aspects of this anomaly and propose systematic and continuous observations and studies at the occasion of future flybys. Further anomalies within the Solar system are the increase of the Astronomical Unit and the quadrupole and octupole anomaly. We briefly mention Dark Matter and Dark Energy since in some cases a relation between them and the Solar system anomalies have been speculated.

研究动机与目标

• 评估太阳系中未解现象是否挑战当前引力物理的有效性。
• 调查先驱者异常和飞越效应等异常现象是否源于未知物理机制，而非系统性误差。
• 提出有针对性的观测计划，以解决现有数据中的模糊性并探测新物理。
• 探索太阳系异常与宇宙学现象（如暗能量和暗物质）之间的联系。
• 倡导改进未来深空任务的数据采集协议，包括精确跟踪和星载时钟同步。

提出的方法

• 重新分析先驱者10号和11号全部多普勒跟踪数据，以检测系统性效应或确认异常加速度的存在。
• 应用包含速度和位置依赖项的修改版运动方程来模拟飞越异常，包括与 $ \frac{GM}{c^2 r^2} \dot{r}^i $ 和 $ \frac{GM}{c^2 r^2} (\mathbf{r} \cdot \dot{\mathbf{r}}) \frac{r^i}{r} $ 成比例的项。
• 使用双程多普勒跟踪技术高精度测量航天器速度和距离，从而检测微小的异常加速度。
• 提议对未来的地球引力弹弓飞越任务实施连续、高精度跟踪，包括星载时钟和完整状态矢量测量。
• 将地球上的原子钟与天体物理时标进行比较，以搜索可能指示度规或引力场异常的钟漂移。
• 评估修改版运动方程的能量非守恒性质，以评估其在解释异常速度变化中的潜在作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 先驱者10号和11号航天器的异常加速度是否能完全由已知的热反冲力解释，还是指向新物理？
• RQ2 何种物理机制可能在不违反标准引力中能量守恒的前提下，产生飞越过程中一致的速率增加？
• RQ3 观测到的每世纪10米的天文单位增加是否为真实的物理效应，还是行星星历中的系统性偏差？
• RQ4 宇宙微波背景的低阶多极矩是否在统计上显著地与太阳系角动量对齐，暗示未知的大尺度结构效应？
• RQ5 飞越异常和先驱者异常能否由运动方程中单一的修改引力项统一描述？

主要发现

• 先驱者异常表现为一个恒定的向内加速度，大小为 $ (8.74 \pm 1.33) \times 10^{-10} \, \text{m/s}^2 $，目前无法用常规力解释。
• 飞越异常表现出航天器在地球引力弹弓后速度一致增加约 $ 10^{-4} \, \text{m/s} $，标准模型无法解释。
• 天文单位以每世纪约10米的速率增加，暗示太阳系尺度可能存在某种长期变化。
• 宇宙微波背景的四极矩和八极矩成分表现出与太阳系角动量的异常对齐，挑战统计各向同性假设。
• 通过引入与 $ \frac{GM}{c^2 r^2} \dot{r}^i $ 和 $ \frac{GM}{c^2 r^2} (\mathbf{r} \cdot \dot{\mathbf{r}}) \frac{r^i}{r} $ 成比例的项，修改版运动方程原则上可描述飞越异常，通过在地球附近产生速度依赖的加速度。
• 所提出的修改动力学不守恒能量，表明其背后的理论可能需要超越标准广义相对论或牛顿引力的新框架。