[論文レビュー] The Inverse Square Law And Newtonian Dynamics space explorer (ISLAND)

Joël Bergé|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2018

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 2

ひとこと要約

ISLANDミッションは、電気的トルションパendulumと6つの加速度計グレディエンス計を搭載したドラッグフリーで姿勢制御可能な惑星間宇宙船を用いて、ミリ未塔および太陽系スケールで重力の逆二乗法則を検証することを目的としている。超高精度な加速度および重力勾配の測定を通じて、一般相対性理論を超える新しい物理現象を示す可能性のあるニュートン重力からのずれを検出することを目的としている。

ABSTRACT

The ISLAND (Inverse Square Law And Newtonian Dynamics) Space Explorer is a new concept to test the gravitational Inverse Square Law at: (1) submillimeter scale and (2) at the largest Solar System scales (dozens of Astronomical Units --AU). The main idea is to embark a torsion pendulum at the center of gravity of a dedicated, possibly drag-free and attitude-controlled, interplanetary probe whose gravitational environment is accurately probed by, and corrected for thanks to six ultrasensitive accelerometers arranged as a cross around the torsion pendulum.

研究の動機と目的

• 新物理が現れる可能性があるミリ未塔スケールで重力の逆二乗法則（ISL）を検証すること。
• 太陽系スケール（数十天文単位）でのISL違反を、惑星間探査機の精密な軌道モニタリングを用いて探査すること。
• 修正重力または新たな基本的相互作用を示す可能性があるニュートン力学からのずれを検出すること。
• ドラッグフリー制御を用いることで、地上実験の制限を克服し、制御された低ノイズの宇宙環境で実験を実施すること。
• バイアスを排除するDC加速度計を用いて、非重力的加速度を高精度で測定し、重力勾配補正を正確に行うこと。

提案手法

• ドラッグフリーで姿勢制御可能な惑星間宇宙船の重心にトルションパendulumを配置し、外部からの干渉を最小限に抑える。
• GOCEのグレディエンス計と同様のクロス配置の6つの超高感度電気的加速度計を用いて、局所的な重力勾配を測定する。
• 加速度計を180°反転させるバイアス補正システムを導入し、長期的なドリフトを低減し、1ナノガル未塔の分解能を達成する。
• 周波数帯域 [10⁻⁵ – 10⁻¹] Hz のMicroSTAR電気的加速度計技術を活用し、低周波数のトルションパendulum信号に最適化する。
• 反転機構のモodulation周波数周辺のバンドパスフィルタを適用し、バイアスドリフトを分離・除外しながら信号の整合性を保持する。
• データ解析の段階で、グレディエンス計とリファレンス加速度計の測定値を用いて、重力勾配および非重力的加速度を補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙船搭載のトルションパendulumを用いて、ミリ未塔スケールで逆二乗法則からのずれを検出可能か？
• RQ2 ドラッグフリーの惑星間探査機の軌道を精密にモニタリングすることで、太陽系スケールでのニュートン重力からの違反をどの程度まで特定できるか？
• RQ3 超高安定でバイアスを排除する加速度計は、微弱な重力異常を検出するのに必要な感度を達成できるか？
• RQ4 深宇宙における6加速度計グレディエンス計測定系を用いて、重力勾配をどの程度正確に測定・補正できるか？
• RQ5 この二重スケール手法を用いて、ヤクーバ型のニュートン重力からのずれ（例：αおよびλパラメータ）に対する制約をどの程度得られるか？

主な発見

• MicroSTAR加速度計は、周波数帯域 [10⁻⁵ – 1] Hz において10⁻⁹ m/s²/Hz¹ᐟ² のノイズレベルを達成し、低周波数のトルションパendulum信号の検出に適している。
• 180°反転を用いたバイアス補正システムにより、絶対的加速度測定が10⁻¹² m/s²まで可能となり、長期的ドリフトが顕著に低減される。
• グレディエンス計測定構成により、データ解析段階でトルションパendulum周辺の局所的重力勾配を正確に推定・補正できる。
• ミッションコンセプトにより、ミリ未塔スケールおよび大規模な太陽系スケールの両方でISL違反の検証が同時に可能となり、相補的な制約が得られる。
• ドラッグフリー制御、高精度な加速度計測定、バイアス排除の組み合わせにより、感度の閾値が達成され、α ∼ 10⁻⁴およびλ ∼ 10⁻³ m から100 AU のヤクーバ型のずれを検出可能となる可能性がある。
• 技術はCHAMP、GRACE、GOCE、MICROSCOPEで飛行実証済みの機器に基づいており、ONERAですでに飛行準備のための重力高度パッケージ（GAP）が開発中である。