[논문 리뷰] The Brute-Force Search for Planet Nine

Scott Lawrence, Zeeve Rogoszinski|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 30.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 지구 기반 매우 장거리 기준선 간섭계(VLBI)를 통해 행성 9의 중력에 의해 유도된 횡방향 각도 이동을 감지할 수 있도록, 상대론적 속도에 가까운 우주선 무리가 라디오 빔으로서 기능하도록 제안한다. 이전의 초정밀 탑재 시계가 필요한 제안들과는 달리, 이 방법은 행성 9의 유도로 발생하는 영구적인 횡방향 속도 변화를 감지함으로써, 100 AU 거리에서 5 Earth 질량 이상의 질량까지도 하위 밀리초각 해상도로 감지 가능하다.

ABSTRACT

A recent proposal for the detection of a hypothetical gravitating body 500 AU from the Sun (termed Planet 9) calls for a fleet of near-relativistic spacecraft, equipped with high-precision clocks, to be sent to a region where the object is suspected to be. We show that the technological constraints of such a mission can be relaxed somewhat, while improving the sensitivity: high-precision clocks can be avoided when the transverse displacement induced by Planet 9 is measurable with Earth-based, or near-Earth, telescopes. Furthermore, we note that in the absence of Planet 9, these spacecraft still yield useful data by mapping gravitational perturbations in the outer parts of the solar system.

연구 동기 및 목표

• 초정밀 탑재 시계에 의존하지 않는 보다 실현 가능한 행성 9 탐지 방법을 개발하기 위해.
• 지구 기반 VLBI를 통해 측정한 횡방향 각도 이동을 활용하여 먼 거리에 있는 거대한 천체의 중력 왜곡을 탐지하기 위해.
• 기존 또는 근래의 VLBI 감도를 활용하여, 행성 9를 최대 100 AU 거리에서 탐지할 수 있도록 하기 위해.
• 행성 9 탐지 또는 행성 9가 존재하지 않을 경우 외부 태양계의 중력 비정상성을 맵핑하는 이중 목적의 미션을 제공하기 위해.
• 프로브의 근처를 통과하는 동안 발생하는 영구적인 횡방향 속도 변화를 활용하여 이전의 제안들보다 감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 약 0.001c의 속도를 가진 상대론적 우주선을 지구 기반 VLBI 네트워크에서 볼 수 있는 수동 라디오 빔으로 사용한다.
• 행성 9의 중력 왜곡으로 인한 횡방향 이동은 천구상의 위치 변화를 유도하며, 이는 Δvy / v_x^(0) 비례한다.
• 각도 이동 α ≈ 7×10⁻⁹ 라디안은 충격 근사에 기반하여 유도되며, 질량 M, 충격 매개변수 ρ, 프로브의 속도 v_x^(0) 에 따라 달라진다.
• VLBI는 하위 밀리초각 해상도(~10⁻⁹ 라디안)로 천체 위치를 측정할 수 있어, 낮은 질량의 행성 9에 대해서도 이동을 감지하는 데에 충분하다.
• 이 방법은 프로브의 횡방향 속도 변화(Δvy = 2GM / (ρ v_x^(0)))가 영구적으로 발생하여 시간이 지남에 따라 감지 가능한 각도 오프셋으로 누적된다는 데에 의존한다.
• 초정밀 탑재 시계가 필요로 하지 않으며, 오직 지구에서 프로브의 라디오 신호를 수신할 수 있으면 되므로, 미션의 질량과 복잡도를 크게 줄일 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상대론적 프로브의 횡방향 각도 이동을 이용하여, 탑재된 원자 시계 없이도 먼 거리의 거대한 천체인 행성 9를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 현재 또는 근래의 VLBI 기술로 감지 가능한 최소 각도 이동은 얼마인가?
• RQ3 이 방법의 감도는 이전의 제안들과 비교해 볼 때, 반경 방향 속도 변화와 탑재된 시계에 의존하는 방법과 어떻게 다른가?
• RQ4 이 횡방향 이동 방법을 통해 탐지 가능한 행성 9의 질량 및 거리 한계는 무엇인가?
• RQ5 행성 9가 존재하지 않을 경우, 이 방법이 외부 태양계의 중력 왜곡에 대한 유용한 데이터를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 VLBI를 통해 약 10⁻⁹ 라디안의 감지 임계값을 달성하며, 이는 하위 밀리초각 해상도에 해당한다.
• 최대 α ≈ 7×10⁻⁹ 라디안의 횡방향 각도 이동을 감지할 수 있으며, 이는 10⁻³c의 속도를 가진 프로브로 100 AU 거리에 있는 5 M⊕ 질량의 천체를 식별하는 데에 충분하다.
• 프로브 속도를 5×10⁻⁴c로 낮춤으로써 감도를 4배로 높일 수 있으나, 미션 기간은 약 20년으로 증가한다.
• 초정밀 탑재 시계가 필요로 하지 않아 기술적 및 미션 복잡도가 크게 감소한다.
• 영구적인 횡방향 속도 변화(Δvy)는 시간이 지남에 따라 증가하는 각도 이동을 유도하며, 이는 최대치에 도달하기 이전에도 감지 가능하게 하여 조기 탐지 가능성을 높인다.
• 행성 9가 존재하지 않더라도, 프로브들은 외부 태양계의 중력 왜곡을 맵핑할 수 있으며, 알려지지 않은 질량 집합체에 대한 유용한 데이터를 제공한다.