[论文解读] Astrometric Solar-System Anomalies

J. D. Anderson, Michael Martin Nieto|ArXiv.org|Jul 14, 2009

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文识别并分析了太阳系中四个未解的天体测量异常：地球引力助推飞越异常（航天器在近距离飞越地球时出现意外的能量变化）、天文单位的长期增加（每年15厘米）、先驱者异常（深空探测器观测到约8.74×10⁻⁸ cm/s²的恒定向日加速度）以及月球轨道偏心率的未解释增加（0.9±0.3×10⁻¹¹ yr⁻¹）。作者认为这些异常可能源于未知的物理机制或系统性误差，尽管热辐射仍是先驱者异常的主流解释。

ABSTRACT

There are at least four unexplained anomalies connected with astrometric data. Perhaps the most disturbing is the fact that when a spacecraft on a flyby trajectory approaches the Earth within 2000 km or less, it often experiences a change in total orbital energy per unit mass. Next, a secular change in the astronomical unit AU is definitely a concern. It is increasing by about 15 cm yr$^{-1}$. The other two anomalies are perhaps less disturbing because of known sources of nongravitational acceleration. The first is an apparent slowing of the two Pioneer spacecraft as they exit the solar system in opposite directions. Some astronomers and physicists are convinced this effect is of concern, but many others are convinced it is produced by a nearly identical thermal emission from both spacecraft, in a direction away from the Sun, thereby producing acceleration toward the Sun. The fourth anomaly is a measured increase in the eccentricity of the Moon's orbit. Here again, an increase is expected from tidal friction in both the Earth and Moon. However, there is a reported unexplained increase that is significant at the three-sigma level. It is prudent to suspect that all four anomalies have mundane explanations, or that one or more anomalies are a result of systematic error. Yet they might eventually be explained by new physics. For example, a slightly modified theory of gravitation is not ruled out, perhaps analogous to Einstein's 1916 explanation for the excess precession of Mercury's perihelion.

研究动机与目标

• 调查航天器飞越轨迹中的未解偏差，特别是近距离飞越地球时的能量变化。
• 评估报告中天文单位（AU）以约15厘米/年的速率长期增加的显著性。
• 分析持续存在的先驱者异常，即深空探测器观测到的恒定向日加速度。
• 研究月球轨道偏心率的未解释长期增加，超出潮汐耗散模型的预测。
• 评估这些异常是否指向标准引力理论的失效或需要新物理。

提出的方法

• 分析美国国家航空航天局（NASA）的伽利略号和NEAR探测器在地球飞越期间的多普勒跟踪数据，以检测视线速度残差中的异常。
• 比较近地点前后多普勒残差，识别表明未建模加速度的渐近偏差。
• 使用高精度X波段（NEAR）和S波段（伽利略号）无线电跟踪，以最小化电离层和大气噪声。
• 对1970年至2008年间的月球激光测距（LLR）数据进行长期分析，以测量月球轨道要素的长期变化。
• 对地球和月球中的潮汐耗散效应进行建模，以分离出未解释的偏心率变化。
• 通过喷气推进实验室（JPL）的轨道确定程序（ODP）和美国航空航天公司（The Aerospace Corporation）的CHASMP代码，独立验证先驱者异常。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何航天器在近距离飞越地球时会出现未解的能量变化，尽管引力助推机制已被充分理解？
• RQ2 是什么导致报告中天文单位以约15厘米/年的速率长期增加？
• RQ3 先驱者异常（约8.74×10⁻⁸ cm/s²的恒定向日加速度）是由于热辐射还是新的引力效应所致？
• RQ4 为何月球轨道偏心率存在超出潮汐贡献的未解释长期增加，速率为(0.9±0.3)×10⁻¹¹ yr⁻¹？
• RQ5 这些异常是否共同表明标准引力理论存在失效，或需要引入新物理？

主要发现

• 伽利略号飞越任务显示，近地点后多普勒残差存在3.78 mm/s的偏差，表明存在未解释的能量变化。
• NEAR飞越任务表现出更大的残差偏差，达13.51 mm/s，暗示异常更为显著。
• 先驱者异常被确认为|a_P| = (8.74±1.33)×10⁻⁸ cm/s²，方向指向太阳，除热辐射或修正引力外，尚无明确解释。
• 报告指出天文单位以约15 cm/year的速度增加，但原因仍未解释。
• 月球激光测距揭示了(0.9±0.3)×10⁻¹¹ yr⁻¹的异常偏心率增加，超出潮汐效应，暗示存在未建模的能量耗散。
• 放射性同位素热电发电机（RTGs）的热辐射是先驱者异常的合理解释，但尚未完全确认，初步估算仅约6.3%的效应可能源于反射热。