[論文レビュー] Support for a prosaic explanation for the anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11

Louis K. Scheffer|ArXiv.org|Jun 4, 2001

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、パイオニア10号および11号の宇宙船で観測された異常加速度が、宇宙船のメインバスからの非等方的熱放射によるものであると提唱している。主に太陽から離れる（前面）面から熱が放射されるのは、熱絶縁および構造的設計のおかげである。計算により、この効果が観測された $8 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$ 加速度の大部分またはすべてを説明可能であり、新物理を必要とせずに異常を解消できることが示された。

ABSTRACT

Anderson, et al., find the measured trajectories of Pioneer 10 and 11 spacecraft deviate from the trajectories computed from known forces acting on them. This unmodelled acceleration can be accounted for by non-isotropic radiation of spacecraft heat. This explanation was first proposed by Murphy, but Anderson, et al. felt it could not explain the observed effect. This paper includes new calculations on the expected magnitude of this effect, based on the relative emissivities of the different sides of the spacecraft, as estimated from the known spacecraft construction. The calculations indicate the proposed effect can account for most, if not all, of the unmodelled acceleration.

研究の動機と目的

• 既知の力に基づく予測とは逸脱するパイオニア10号および11号の異常加速度を解消すること。
• 非等方的熱放射が未モデル化された加速度の原因であるという仮説を検証すること。
• アンダーソンらの反論に対処すること——閉じたルーバーでは放射が等方的になり、効果がなくなるとされる。
• 実際の宇宙船の構造および熱的性質に基づいて、熱放射力の定量的推定値を提示すること。
• 中心部の機器室における一貫した熱放射に起因し、出力が低下しても加速度が安定していることを示すこと。

提案手法

• 六角形の中心部、マルチレイヤー断熱材、ルーバー機構などを含む、既知の構造的詳細に基づいてパイオニア宇宙船の熱放射をモデル化する。
• 表面積および有効放射率を仮定して、各表面（前面、背面、側面）からの放射パワーを計算する。内部温度が一様であると仮定する。
• 前面（太陽から離れる面）の有効放射率を0.27と推定し、複雑な表面形状および材料仕上げと整合的である。
• 電波ビームのパワーがネット力に与える寄与を評価する。8ワットおよび36 dBm（3.98ワット）の値を用いて感度をテストする。
• 放射パターン（等方的または集光的）を関数として熱放射からの力を評価し、可能な加速度の範囲を制限する。
• 主要システム（送信機、指令系など）の熱消費を追跡することで、時間経過に伴う異常加速度の安定性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パイオニア宇宙船のメインバスからの非等方的熱放射が、観測された異常加速度を説明できるか？
• RQ2 宇宙船全体の出力が著しく低下しているにもかかわらず、なぜ異常加速度がほぼ一定のままであるのか？
• RQ3 閉じたルーバー構成が、熱放射の方向性および大きさにどのように影響するか？
• RQ4 電波ビームおよびその他の部品が、ネット非重力的力に果たす寄与は何か？
• RQ5 詳細な熱モデルが、観測された加速度の全大きさを説明できるか？

主な発見

• 閉じたルーバーがあるにもかかわらず、パイオニア宇宙船の前面（太陽から離れる面）が、高い熱絶縁性と背面・側面の低放射率のおかげで、主に熱放射の源となっている。
• 前面に0.27の複合放射率を設定することは妥当であり、表面の複雑さおよび材料仕上げと整合的である。
• 前面からの熱放射だけでも、観測された $7.84 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$ 加速度の約 $5.2 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$ を説明できる。
• 放射が集光的である場合、力は $7.8 \times 10^{-8}\ \text{cm/s}^2$ に達し、観測値に近く、真の値は等方的モデルと集光的モデルの間にあると考えられる。
• 異常加速度が時間経過にわたり安定しているのは、送信機、指令系など中心部の主要システムがほぼ一定のパワーを消費し続けているためである。
• 仮説は観測と整合的で頑健である。同様の効果は他の宇宙船でも期待されるが、惑星や大規模天体では見られない。