[论文解读] Effect of the Earth's Time-Retarded Gravitational Field on Spacecraft Flybys

J. C. Hafele|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 1

一句话总结

本文提出，航天器飞越地球时观测到的异常多普勒频移——特别是NEAR飞越时13.46±0.01 mm/s的速度变化——源于一种时间延迟的引力场效应，其中地球的横向引力场通过其时间导数诱导出速度变化。当引力场传播速度设定为光速的1.060±0.001倍、感应场速度设定为地球赤道自转速度的4.130±0.003倍时，该模型能精确复现观测到的速度变化。

ABSTRACT

In 2008 a group of NASA scientists reported an anomalous change in the speed of six spacecraft flybys of the Earth. The reported speed change for the NEAR spacecraft flyby is 13.46+-0.01 mm/s. It is known that general relativity theory reduces to classical time-retarded electromagnetic field theory in the linearized approximation. This report shows that time-retarded field theory applied to the Earth's transverse gravitational field gives rise to a small change in the speed of a spacecraft during a flyby. The speed change depends on the time dependence of the transverse gravitational field, which generates an induction field that is proportional to the time derivative of the transverse gravitational field. If the corresponding speed for the induction field is set equal to (4.130+-0.003) times the Earth's equatorial rotational surface speed, and the speed of the Earth's gravitational field is set equal to (1.060+-0.001) times the vacuum speed of light, the calculated value for the speed change for the NEAR flyby agrees exactly with the observed value. Similar results are found for the remaining five flybys.

研究动机与目标

• 解释六次深空探测器飞越地球时未解的多普勒频移异常，包括NEAR飞越时13.46±0.01 mm/s的速度变化。
• 研究广义相对论的线性化极限（等价于时间延迟的电磁理论）是否能解释观测到的引力异常。
• 检验基于横向引力场时间导数的时间延迟引力场模型是否能在飞越过程中产生可测量的速度变化。
• 确定引力场传播速度与感应场速度的取值，使其与观测数据完全一致。

提出的方法

• 将时间延迟引力场理论应用于地球的横向引力场，将其建模为类似于电磁感应场的机制。
• 推导出感应速度变化与横向引力场时间导数成正比，类比于电磁学中的法拉第定律。
• 假设引力场传播速度为光速的倍数，感应场速度为地球赤道自转速度的倍数。
• 利用NEAR飞越数据校准模型，确定引力场传播速度与感应速度的最优值。
• 将模型扩展至其余五次飞越，以检验其在多组观测中的一致性。
• 采用广义相对论的线性近似，为时间延迟场方法提供理论依据，证明其作为建模引力效应的有效框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 时间延迟引力场理论能否解释航天器飞越地球时观测到的异常速度变化？
• RQ2 引力场传播速度取何值时，能与NEAR飞越观测到的13.46±0.01 mm/s速度变化完全一致？
• RQ3 感应速度变化是否如模型预测的那样，依赖于地球横向引力场的时间导数？
• RQ4 是否存在一组统一的参数（引力场传播速度与感应场速度），能一致地解释全部六次飞越异常？
• RQ5 推导出的引力场传播速度为光速的1.060±0.001倍，其物理意义是什么？

主要发现

• 当引力场传播速度设定为光速的1.060±0.001倍时，该模型能精确复现NEAR飞越观测到的13.46±0.01 mm/s速度变化。
• 感应速度变化与地球横向引力场的时间导数成正比，与类电磁感应机制一致。
• 感应引力场的速度被确定为地球赤道自转表面速度的4.130±0.003倍。
• 相同的参数值成功解释了其余五次航天器飞越的异常速度变化，表明存在一致的物理机制。
• 结果表明，基于广义相对论线性极限推导出的时间延迟引力场理论，能够解释未解的飞越异常。
• 结果在给定不确定度范围内与观测完全一致，支持时间延迟场方法在建模飞越动力学引力效应中的有效性。