[论文解读] Jupiter, Saturn and the Pioneer anomaly: a planetary-based independent test

Lorenzo Iorio|ArXiv.org|Dec 8, 2007

Astro and Planetary Science参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文通过分析木星和土星的近日点长期进动的修正量，检验了先驱者异常——在太阳系外缘观测到的未建模加速度——是否可能源于引力作用。利用这些修正量的比值，研究发现与类似先驱者异常的力存在强烈不相容性，从而在统计显著水平上排除了在5–10 AU区域内引力起源的可能性，即使考虑了误差不确定性后仍成立。

ABSTRACT

In this paper we use the ratio of the corrections to the standard Newtonian/Einsteinian secular precessions of the longitudes of perihelia of Jupiter and Saturn, recently estimated by the Russian astronomer E.V. Pitjeva by fitting almost one century of data with the EPM ephemerides, to make an independent, planetary-based test of the hypothesis that the Pioneer anomaly (PA), as it is presently known in the 5-10 AU region, is of gravitational origin. Accounting for the errors in the determined apsidal extra-rates and in the values of the PA acceleration at the orbits of Jupiter and Saturn the answer is negative. If and when the re-analysis of the entire Pioneer 10/11 will be completed more firm conclusions could be reached. Moreover, it would also be important that other teams of astronomers estimate independently their own corrections to the perihelion precessions.

研究动机与目标

• 通过检查其在5–10 AU区域对行星轨道的潜在影响，检验先驱者异常是否源于引力起源的假设。
• 利用独立的行星数据——特别是木星和土星近日点进动的修正量——作为对先驱者异常假设的检验。
• 评估行星运动中观测到的异常是否与从先驱者10/11探测器数据推断出的先驱者异常加速度值一致。
• 提供基于行星的、独立的约束条件，避免仅依赖于航天器数据。

提出的方法

• 利用E.V. Pitjeva基于EPM2004星历表估算的木星和土星的近日点长期进动修正量的比值。
• 应用径向恒定加速度引起的长期进动的理论公式：⟨ḋϖ⟩ = A√[a(1−e²)/(GM)]，以预测由先驱者异常加速度引起的预期异常进动。
• 将木星和土星的观测到的近日点额外进动率（Δ⟨ḋϖ⟩）的比值，与根据先驱者异常加速度在各自轨道距离上推导出的理论比值进行比较。
• 将行星进动修正量中的正式误差放大10倍，以获得更现实的不确定性估计。
• 通过计算观测比值与预期理论比值之间的偏差进行一致性检验，发现其显著不同于零。
• 通过测试将土星进动修正量的误差增加100倍来检验结果的稳健性，结果未改变结论。

实验结果

研究问题

• RQ1 先驱者异常是否与一种会影响5–10 AU区域行星的引力起源一致？
• RQ2 木星和土星近日点进动修正量的观测结果是否与在各自轨道距离上由先驱者异常加速度预测的进动速率一致？
• RQ3 木星与土星之间观测到的近日点进动修正量的比值能否与类似先驱者异常力所预测的比值相协调？
• RQ4 如果先驱者异常是引力起源，数据是否支持等效原理的破坏？
• RQ5 当前的行星数据是否足以排除外太阳系中类似先驱者异常的力的存在？

主要发现

• 木星和土星近日点进动修正量的观测比值与预期理论比值的偏差为0.75 ± 0.05，该偏差显著不同于零，因此与类似先驱者异常的力不相容。
• 观测到的近日点额外进动率分别为Δ⟨ḋϖ⟩^(Jup) = 0.0062 ± 0.036 arcsec/cy⁻¹ 和 Δ⟨ḋϖ⟩^(Sat) = -0.92 ± 2.9 arcsec/cy⁻¹，误差已放大10倍以反映现实。
• 由先驱者异常加速度预测的异常进动为⟨ḋϖ⟩_Pio^(Jup) = 4 ± 7 arcsec/cy⁻¹ 和 ⟨ḋϖ⟩_Pio^(Sat) = 12 ± 43 arcsec/cy⁻¹，这些值单独来看与零相容，但其比值不相容。
• 即使将土星进动修正量的误差提高100倍，结论依然不变，表明结果具有稳健性。
• 在等效原理成立的假设下，该结果排除了在5–10 AU区域内先驱者异常具有引力起源的可能性。
• 本研究呼吁其他团队独立验证行星进动修正量，并完成对先驱者10/11探测器数据的完整重新分析，以进一步加强结论。