[论文解读] Can the flyby anomalies be explained by a modification of inertia?

M. E. McCulloch|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2007

Tactile and Sensory Interactions参考文献 10被引用 8

一句话总结

本文提出，飞越异常——即在地球引力助推期间出现的几毫米每秒的未解释速度增加——可通过宇宙尺度卡西米尔效应引起的修正惯性（MiHsC）来解释，该理论在相对于银河系中心的加速度趋近于零时会减小惯性质量。该模型预测伽利略、近地小行星探测器（NEAR）、卡西尼号和罗塞塔号的地球方向速度跃迁为2.6–1.9 mm/s，除NEAR外与观测结果一致，且其预测严重依赖于一个狭窄的哈勃常数值范围。

ABSTRACT

The flyby anomalies are unexplained velocity increases of 3.9, 13.5, 0.1 and 1.8 mm/s observed near closest approach during the Earth flybys of the Galileo, NEAR, Cassini and Rosetta spacecraft. Here, these flybys are modelled using a theory that assumes that inertia is caused by a form of Unruh radiation, modified by a Hubble-scale Casimir effect. This theory predicts that when the craft's accelerations relative to the galactic centre approached zero near closest approach, their inertial masses reduced for about 10^-7 s causing Earthward jumps of 2.6, 1.2, 1.4 and 1.9 mm/s respectively, and, to conserve angular momentum, increases in orbital velocity of a few mm/s that, except NEAR's, were quite close to those observed. However, these results were extremely sensitive to the Hubble constant used. As an experimental test of these ideas, it is proposed that metamaterials could be used to bend Unruh radiation around objects, possibly reducing their inertial mass.

研究动机与目标

• 解释伽利略、NEAR、卡西尼号和罗塞塔号飞越地球时观测到的未解释的毫米每秒级速度增加。
• 检验基于伦佩特辐射和宇宙尺度卡西米尔效应的惯性修正是否能解释这些异常。
• 评估模型预测对哈勃常数值的敏感性。
• 提出一种利用超材料操控伦佩特辐射并探测减小的惯性质量的可行实验测试。

提出的方法

• 使用牛顿动力学和MiHsC方程建模航天器飞越：$ m_I = m_g \left(1 - \frac{\beta \pi^2 c^2}{a \Theta} \right) $，其中 $ \Theta = 2c/H $。
• 使用喷气推进实验室（JPL）Horizons星历表数据，以1分钟分辨率重建每次飞越的轨迹。
• 计算当相对于银河系中心的加速度趋近于零时惯性质量的减小。
• 基于惯性质量瞬时减小期间角动量守恒，预测地球方向的速度跃迁。
• 评估质量损失事件的持续时间与最近接近时间的关系。
• 提出一种利用超材料弯曲伦佩特辐射以减小有效惯性质量的实验测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 MiHsC模型能否解释伽利略、NEAR、卡西尼号和罗塞塔号飞越中观测到的速度跃迁？
• RQ2 MiHsC预测对哈勃常数值的敏感性如何？
• RQ3 为何该模型无法预测NEAR异常（13.46 mm/s）的大幅跃迁，尽管惯性质量显著减小？
• RQ4 飞越期间惯性质量的瞬时减小能否通过超材料实验验证？
• RQ5 惯性质量下降的时间相对于最近接近点是否与可观测约束一致？

主要发现

• MiHsC模型预测伽利略号的地球方向速度跃迁为2.6 mm/s，NEAR为1.2 mm/s，卡西尼号为1.4 mm/s，罗塞塔号为1.9 mm/s，与伽利略号和罗塞塔号的观测值在不确定度范围内一致。
• NEAR的预测跃迁（1.2 mm/s）远小于观测值13.46 mm/s，表明该模型对此次任务失效。
• 模型预测对哈勃常数极为敏感：当 $ H \geq 2.34 \times 10^{-18} \, \text{s}^{-1} $ 时，预测跃迁变为负值，从而限制了可行的哈勃常数值范围。
• NEAR的质量损失事件持续时间最短（0.6 × 10⁻⁷ s），但质量减少最剧烈（从730 kg降至0.6 kg），表明存在高能瞬态效应。
• NEAR的质量损失事件发生在最近接近前2分钟，而其他任务则发生在最近接近后12至9分钟，但因通信中断无法直接验证时间。
• 该模型表明，可通过设计更小的卡西米尔边界来操控伦佩特辐射，利用超材料实现惯性质量减小的实验探测。