[论文解读] First evidence of the general relativistic gravitomagnetic field of the Sun and new constraints on a Yukawa-like fifth force

Lorenzo Iorio|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2005

Astro and Planetary Science被引用 5

一句话总结

本研究利用改进的行星星历表，首次从太阳观测到广义相对论的引力磁效应——伦斯-西尔林效应，检测到水星、地球和火星近日点进动的微小变化，其结果与相对论预测一致。同时，该研究在约1 AU的距离上，将类似杨氏势的第五种力的约束提升至10^-12至10^-13量级。

ABSTRACT

The post-Newtonian general relativistic gravitomagnetic Lense-Thirring precessions of the perihelia of the inner planets of the Solar System amount to 10^-3 arcseconds per century. Up to now they were always retained too small to be detected. Recent improvements in the planetary ephemerides determination yield the first observational evidence of such a tiny effect. Indeed, extra-corrections to the known perihelion advances of -0.0036\\pm 0.0050, -0.0002\\pm 0.0004 and 0.0001\\pm 0.0005 arcseconds per century were recently determined by E.V. Pitjeva for Mercury, the Earth and Mars, respectively. They were based on the EPM2004 ephemerides and a set of more than 317 000 observations of various kinds. The predicted relativistic Thirring-Lense precessions for these planets are -0.0020, -0.0001 and -3\ imes 10^-5 arcseconds per century, respectively and are compatible with the measured perihelia corrections, although the experimental errors are still large. The data from the forthcoming BepiColombo mission to Mercury will improve our knowledge of the orbital motion of this planet and, consequently, the precision of the measurement of the Thirring-Lense effect. As a by-product of the present analysis, it is also possible to constrain the strength of a Yukawa-like fifth force to a $10^-12-10^-13 level at scales of about one Astronomical Unit.

研究动机与目标

• 利用当前的行星星历表检测行星近日点的广义相对论引力磁效应——伦斯-西尔林进动，这是此前无法探测到的后牛顿效应。
• 利用高精度行星轨道数据，改进对假设性第五种力（特别是杨氏型相互作用）的约束。
• 利用EPM2004星历表及超过317,000次观测数据，提取微弱的相对论修正项。
• 评估未来任务（如贝皮科洛姆博）在提升此类测量精度方面的潜力。

提出的方法

• 采用EPM2004行星星历表，该星历表整合了来自多种来源的超过317,000个观测数据点。
• 对行星近日点进动进行精细化分析，以提取超出标准牛顿力和相对论效应的异常修正项。
• 将观测到的近日点修正与广义相对论中伦斯-西尔林效应的理论预测进行比较。
• 通过拟合约1 AU尺度上轨道动力学的偏差，纳入对杨氏型第五种力的约束。
• 使用统计误差传播方法，评估观测修正项相对于理论预期的显著性。
• 评估实测近日点偏移与理论预测的引力磁进动（分别为-0.0020、-0.0001和-3×10^-5弧秒/世纪）之间的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用当前的行星星历表探测到行星近日点的广义相对论引力磁效应——伦斯-西尔林进动？
• RQ2 水星、地球和火星的观测近日点修正与预测的相对论引力磁效应相比如何？
• RQ3 基于约1 AU尺度的高精度行星轨道数据，可对杨氏型第五种力施加何种约束？
• RQ4 当前的观测误差在多大程度上限制了引力磁效应的探测？
• RQ5 未来贝皮科洛姆博任务的数据将如何提升伦斯-西尔林效应的测量精度？

主要发现

• 水星、地球和火星的观测近日点修正分别为-0.0036±0.0050、-0.0002±0.0004和0.0001±0.0005弧秒/世纪，与预测的广义相对论伦斯-西尔林进动一致。
• 对三颗行星预测的引力磁进动（分别为-0.0020、-0.0001和-3×10^-5弧秒/世纪）均处于观测不确定度范围内。
• 该分析首次提供了太阳引力磁场所致效应的观测证据，尽管其效应幅度极小。
• 数据将约1个天文单位距离上杨氏型第五种力的强度约束在10^-12至10^-13量级。
• 当前实验误差仍较大，但未来任务（如贝皮科洛姆博）预计可显著提升测量精度。
• 观测结果与理论预测的进动之间的一致性，支持了广义相对论在太阳系弱场、慢速运动条件下的有效性。