[论文解读] Gravity tests with INPOP planetary ephemerides

A. Fienga, J. Laskar+4 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jun 22, 2009

Astro and Planetary Science被引用 12

一句话总结

本文利用INPOP08行星星历测试广义相对论，并通过分析行星近日点进动约束太阳扁率（J₂）。研究采用火星和金星任务的多行星测距数据，将广义相对论参数β与太阳J₂及小行星带效应解耦，结果表明太阳系行星动力学中不存在大于Pioneer异常四分之一的恒定加速度。

ABSTRACT

In this paper, we present several gravity tests made in using the last INPOP08 planetary ephemerides. We first propose two methods to estimate the PPN parameter $β$ and its correlated value, the Sun J2 and we discuss the correlation between the Sun J2 and the mass of the asteroid ring. We estimate possible advance in the planet perihelia. In the end we show that no constant acceleration larger than 1/4 the Pioneer anomaly can affect the planets of our solar system.

研究动机与目标

• 利用高精度行星星历测试广义相对论中的参数化后牛顿（PPN）参数β。
• 利用多行星测距数据，将PPN参数β与太阳扁率（J₂）及小行星带摄动效应解耦。
• 通过观测不确定性与信噪比，评估水星、金星和火星近日点进动异常的可探测性。
• 评估是否存在类似Pioneer异常的恒定加速度影响行星轨道，而未在星历中被检测到。

提出的方法

• 使用INPOP08行星星历，其整合了火星快车（MEX）、金星快车（VEX）及其他深空任务的测距数据。
• 采用两种方法联合拟合行星轨道，以估计PPN参数β与太阳J₂，同时考虑二者之间的强相关性。
• 将小行星带建模为一个具有质量与距离的单一环，其参数基于24,635颗小行星的物理特性进行估算，以模拟集体摄动效应。
• 通过比较预测的相对论性与J₂引起的位移与观测角度和距离不确定性，评估近日点进动效应的信噪比（S/N）。
• 通过在行星运动方程中加入一个指向太阳的恒定加速度（8.75×10⁻¹⁰ m/s²）来测试Pioneer异常假设，并比较有无该加速度时的残差。
• 对天王星与海王星位置进行拟合后残差分析，以检测此类恒定加速度可能引起的未吸收系统性效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 当与太阳J₂及小行星带效应相关联时，PPN参数β能否被可靠估计？
• RQ2 与其它行星相比，金星和火星的测距数据在提升对相对论效应与太阳扁率效应的敏感度方面有多大的改进？
• RQ3 类似Pioneer异常的恒定加速度能否被行星星历拟合过程吸收，还是会在残差中留下可探测的痕迹？
• RQ4 基于当前星历建模与观测数据，太阳系中可探测到的最小恒定加速度是多少？
• RQ5 外行星（天王星、海王星）的动力学对假设的恒定加速度如何响应？此类效应是否可能被噪声掩盖？

主要发现

• 检测广义相对论与太阳J₂效应的信噪比在金星为172，在火星为130，表明金星数据在这些测试中的效率是火星数据的七倍。
• 若将VEX任务延长至四年，并采用1 mas精度的VLBI测距，其效果将等同于使用800米精度的雷达测距对水星进行PPN β与太阳J₂测试。
• 8×10⁻¹⁰ m/s²的恒定加速度——为标准Pioneer异常值的四分之一——无法被星历拟合过程吸收，且在1930年后会在天王星赤经中留下可探测的残差。
• 对于海王星与冥王星，该恒定加速度的影响被拟合过程吸收，表明外行星数据对这类信号的敏感度较低。
• 在INPOP08星历中，太阳系行星动力学中不存在大于Pioneer异常四分之一的恒定加速度，否则将被检测到。
• 太阳J₂与小行星带质量之间存在显著相关性，但可通过外行星数据（如土星）打破该相关性，因为外行星对小行星环不敏感，但对J₂敏感。