[論文レビュー] On the influence of global cosmological expansion on the dynamics and kinematics of local systems

Matteo Carrera, Domenico Giulini|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2008

Relativity and Gravitational Theory被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、宇宙論的膨張が局所的力学系（例えば軌道運動やコンパクト物体）に及ぼす影響を調査し、異常なパイオニア加速がその影響を受ける可能性を検討する。結論として、観測された 10^-9 m/s² の加速度を説明するには、宇宙論的効果はあまりに小さすぎる。一般相対性理論による大規模な運動論と局所的物理学の接続の難しさが、未解決のまま残っている。

ABSTRACT

We review attempts to estimate the influence of global cosmological expansion on local systems. Here `local' is taken to mean that the sizes of the considered systems are much smaller than cosmologically relevant scales. For example, such influences can affect orbital motions as well as configurations of compact objects, like black holes. We also discuss how measurements based on the exchange of electromagnetic signals of distances, velocities, etc. of moving objects are influenced. As an application we compare orders of magnitudes of such effects with the scale set by the apparently anomalous acceleration of the Pioneer 10 and 11 spacecrafts, which is 10^-9 m/s^2. We find no reason to believe that the latter is of cosmological origin. However, the general problem of gaining a qualitative and quantitative understanding of how the cosmological dynamics influences local systems remains challenging, with only partial clues being so far provided by exact solutions to the field equations of General Relativity.

研究の動機と目的

• 大規模な宇宙論的膨張が、軌道やコンパクト物体のような局所的力学系に及ぼす影響を評価すること。
• 電磁信号の交換に基づく測定（距離や速度の推定）が、宇宙論的膨張によってどのように影響を受けるかを分析すること。
• 宇宙論的効果の大きさを、パイオニア10・11探査機で観測された未解明の 10^-9 m/s² の加速度と比較すること。
• 宇宙論的力学がパイオニア異常を定性的または定量的に説明できるかどうかを評価すること。
• 大規模な宇宙論的運動論と局所的物理系との相互作用を理解する上で残された課題を特定すること。

提案手法

• アインシュタイン場方程式の正確解を検討し、宇宙論的膨張が局所的システムに与える影響を抽出すること。
• 宇宙論的距離よりもはるかに小さいスケールにおける、束縛系の運動学および力学を分析すること。
• 軌道的およびコンパクト物体の配置における宇宙論的効果のオーダーを推定すること。
• これらの推定効果を、パイオニア探査機で観測された異常加速度（10^-9 m/s²）と比較すること。
• 一般相対性理論の枠組みを用いて、膨張する時空における信号伝播および測定の歪みをモデル化すること。
• 次元的および定性的な分析を通じて、宇宙論的影響が観測された局所的力学と整合しているかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な宇宙論的膨張は、連星星やコンパクト物体のような局所的システムの軌道的力学に、どの程度影響を及ぼすか？
• RQ2 局所的文脈において、距離や速度の測定に用いられる電磁信号の交換は、宇宙論的膨張によってどのように影響を受けるか？
• RQ3 パイオニア10・11探査機で観測された 10^-9 m/s² の異常加速度は、宇宙論的膨張に起因する可能性があるか？
• RQ4 一般相対性理論の正確解に基づいて、宇宙論的影響の定量的限界は何か？
• RQ5 宇宙論的運動論と局所的物理学の結合を完全に理解する上で、根本的な課題は何か？

主な発見

• 宇宙論的膨張は、宇宙論的スケールよりもはるかに小さいサイズの局所的システムにほとんど影響を及ぼさない。
• 大規模な膨張が局所的力学に及ぼすと予想される効果は、パイオニア探査機で観測された 10^-9 m/s² の加速度と比べて、多数のオーダー小さすぎる。
• 本分析から、パイオニア異常の宇宙論的起源を示唆する説得力ある証拠はない。
• アインシュタイン場方程式の正確解は、宇宙論的力学が局所的システムに与える影響を完全に理解する手がかりを提供するにとどまる。
• 大規模な膨張が局所的力学に与える影響を理解する問題は、根本的かつ未解決のまま残っている。
• 電磁信号に基づく測定は宇宙論的膨張の影響を受けるが、その効果はパイオニア異常を説明するにはあまりに小さい。