[论文解读] Novel Gravity Probe B Gravitational Wave Detection

Reginald T. Cahill|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2004

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 6被引用 8

一句话总结

本文提出，引力探测器B实验可探测一种由新引力理论预测的新型非广义相对论引力波效应，该效应源于地球在空间中的绝对直线运动。该理论预测，这种运动会产生显著的涡度诱导自旋进动，受引力波调制，从而在进动中产生广义相对论未涵盖的独特轨道间变化，可能解决绝对直线运动与广义相对论禁止其存在的悖论。

ABSTRACT

The Gravity Probe B (GP-B) satellite experiment will measure the precession of on-board gyroscopes to extraordinary accuracy. Such precessions are predicted by General Relativity (GR), and one component of this precession is the `frame-dragging' or Lense-Thirring effect, which is caused by the rotation of the earth, and the other is the geodetic effect. A new theory of gravity predicts, however, a second and much larger `frame-dragging' or vorticity induced spin precession. This spin precession component will also display the effects of novel gravitational waves which are predicted by the new theory of gravity, and which have already been seen in several experiments. The magnitude and signature of these gravitational wave induced precession effects is given for comparison with the GP-B experimental data.

研究动机与目标

• 检验引力探测器B实验是否能探测到一种由非度规引力理论预测的新引力波效应，该效应与广义相对论的预测不同。
• 解决物理学中长期存在的悖论：广义相对论允许绝对转动运动，但禁止绝对直线运动。
• 证明星系中观测到的“暗物质”效应及其他异常现象源于空间本身的动力学特性，而非不可见物质。
• 为在GP-B数据中探测这些新型引力波提供特征信号，特别是通过轨道间进动角的变化。
• 表明GP-B实验可通过涡度效应探测绝对直线运动，而这类效应在广义相对论中并不存在。

提出的方法

• 使用一种新的非度规引力理论，通过速度场和背景物质流建模引力，预测地球绝对直线运动引起的涡度。
• 应用涡度诱导自旋进动公式（公式35），计算地球430 km/s绝对运动及其波动引起的进动效应。
• 结合DeWitte同轴电缆实验的模拟引力波效应，使用RA = 5.2h、Dec = -67°方向测得的速度波动数据。
• 模拟40个GP-B轨道，引入波调制速度，预测进动变化，比较有波效应与无波效应的结果。
• 分析波调制进动的特征，特别是每条轨道后残留的非零进动，该特征在广义相对论预测中不存在。
• 将预测的进动特征与GP-B的0.0005弧秒测量精度进行比较，评估其可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 引力探测器B实验能否探测到由新引力理论预测的、与广义相对论预测不同的新型引力波效应？
• RQ2 由地球绝对直线运动引起的涡度是否会产生可测量的自旋进动，使其与广义相对论的参考系拖拽效应产生偏差？
• RQ3 由引力波波动引起的轨道间进动角变化，能否与GP-B数据中微小的累积Lense-Thirring进动区分开来？
• RQ4 新理论预测的引力波诱导进动的大小和特征是什么？其在GP-B灵敏度范围内是否可探测？
• RQ5 通过涡度效应探测绝对直线运动，如何解决广义相对论允许绝对转动但不允许绝对直线运动的悖论？

主要发现

• 新理论预测，地球绝对直线运动引起的涡度诱导自旋进动远大于广义相对论预测的Lense-Thirring效应。
• 由背景物质流建模的引力波效应（基于DeWitte同轴电缆实验数据）在进动角上产生可探测的轨道间变化。
• 如图8所示，预测的进动变化导致每条轨道后出现非零残留进动，这是广义相对论中不存在的特征。
• 由于430 km/s的绝对运动速度及其波动，波诱导进动的幅度显著，达到可观测效应的量级。
• 预计GP-B实验将探测到绝对直线运动引起的涡度，为广义相对论中不存在的物理背景物质流提供证据。
• 结果表明，GP-B可能能明确解决广义相对论与绝对直线运动不相容的悖论，尽管其允许绝对转动。