[论文解读] Light Deflection under the Gravitational Field of Jupiter -- Testing General Relativity

Yingjie Li, Ye Xu+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 51被引用 11

一句话总结

本研究利用甚长基线阵列（VLBA）在15 GHz频段对木星引力场引起的光线偏转进行了四次历元的观测，以检验后牛顿参数γ。通过分析紧凑河外射电源（CESs）之间的相对位置，研究者获得γ = 0.984 ± 0.037的测量结果，与广义相对论及先前的木星引力透镜结果一致，证明了利用行星引力透镜实现高精度引力测试的可行性，且受等离子体干扰极小。

ABSTRACT

We measured the relative positions between two pairs of compact extragalactic sources (CESs), J1925-2219 \& J1923-2104 (C1--C2) and J1925-2219 \& J1928-2035 (C1--C3) on 2020 October 23--25 and 2021 February 5 (totaling four epochs), respectively, using the Very Long Baseline Array (VLBA) at 15 GHz. Accounting for the deflection angle dominated by Jupiter, as well as the contributions from the Sun, planets other than Earth, the Moon and Ganymede (the most massive of the solar system's moons), our theoretical calculations predict that the dynamical ranges of the relative positions across four epochs in R.A. of the C1--C2 pair and C1--C3 pair are 841.2 and 1127.9 $\mu$as, respectively. The formal accuracy in R.A. is about 20 $\mu$as, but the error in Decl. is poor. The measured standard deviations of the relative positions across the four epochs are 51.0 and 29.7 $\mu$as in R.A. for C1--C2 and C1--C3, respectively. These values indicate that the accuracy of the post-Newtonian relativistic parameter, $\gamma$, is $\sim 0.061$ for C1--C2 and $\sim 0.026$ for C1--C3. Combining the two CES pairs, the measured value of $\gamma$ is $0.984 \pm 0.037$, which is comparable to the latest published results for Jupiter as a gravitational lens reported by Fomalont \& Kopeikin, i.e., $1.01 \pm 0.03$.

研究动机与目标

• 利用木星作为引力透镜测试后牛顿参数γ，相比太阳观测，等离子体干扰更小。
• 通过利用木星大气中较弱的等离子体效应，提升在检验广义相对论引力时的天体测量精度。
• 评估行星星历和等离子体对高精度VLBI测量中偏转角不确定性的影晌。
• 通过验证利用行星透镜实现超精密引力测试的技术，推动下一代天体测量的发展。
• 结合多对CES的数据，提升γ估计的统计稳健性，超越单源测量的局限。

提出的方法

• 在2020年10月23日至25日以及2021年2月5日，对紧凑河外射电源（CESs）J1925-2219、J1923-2104和J1928-2035进行了四次历元的VLBA观测，观测频率为15 GHz。
• 测量了右 Ascension（R.A.）和赤纬（Decl.）方向上CES对C1–C2（J1925-2219与J1923-2104）和C1–C3（J1925-2219与J1928-2035）之间的相对位置。
• 理论偏转角通过累加太阳、除地球外的其他行星、月球及木卫三的贡献计算得出，其中木星贡献占主导。
• 采用参数化后牛顿（PPN）形式化方法建模光线偏转，γ为关键的相对论性参数。
• 应用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法，从观测到的位置弥散中推导出γ的后验分布。
• 通过建模的电子密度剖面和位置误差预算，量化了等离子体效应和星历不确定性带来的系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在VLBI观测中，利用木星作为引力透镜，γ的测量精度能达到多高？
• RQ2 木星大气中的等离子体效应如何影响测量的偏转角？这些效应是否可被可靠建模或可忽略？
• RQ3 行星星历的不确定性在多大程度上影响此情境下光线偏转测量的准确性？
• RQ4 跨多个历元的相对源位置动态范围是否足以检测出相对论性偏转效应？
• RQ5 对两对CES的联合分析相比单对测量，如何提升对γ的约束？

主要发现

• C1–C2对在右 Ascension（R.A.）方向的理论动态范围为841.2 µas，C1–C3对为1127.9 µas，木星是主要贡献源。
• 四次历元中相对位置的标准差在C1–C2对为51.0 µas，在C1–C3对为29.7 µas（R.A.方向），表明形式精度约为20 µas。
• 基于观测位置弥散，C1–C2对的γ不确定性估计约为0.061，C1–C3对约为0.026。
• 两对CES联合分析得到最终测量结果为γ = 0.984 ± 0.037，与广义相对论及先前的木星透镜结果一致。
• 发现先前模型对木星大气中等离子体的影响估计过高；实际偏转贡献可能小得多，尤其是在小撞击参数下。
• 行星星历（如JPL DE438）的不确定性对偏转角误差的贡献小于1 µas，即使在近距离接近时，也可安全忽略。