[论文解读] On the influence of global cosmological expansion on the dynamics and kinematics of local systems

Matteo Carrera, Domenico Giulini|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2008

Relativity and Gravitational Theory被引用 12

一句话总结

本文研究了全局宇宙膨胀是否会影响局部动力系统（如轨道运动和致密天体），并评估其在异常Pioneer加速度中可能扮演的角色。研究结论认为，宇宙学效应过于微弱，无法解释观测到的10^-9 m/s²加速度，凸显了通过广义相对论将大尺度动力学与局部物理联系起来的持续挑战。

ABSTRACT

We review attempts to estimate the influence of global cosmological expansion on local systems. Here `local' is taken to mean that the sizes of the considered systems are much smaller than cosmologically relevant scales. For example, such influences can affect orbital motions as well as configurations of compact objects, like black holes. We also discuss how measurements based on the exchange of electromagnetic signals of distances, velocities, etc. of moving objects are influenced. As an application we compare orders of magnitudes of such effects with the scale set by the apparently anomalous acceleration of the Pioneer 10 and 11 spacecrafts, which is 10^-9 m/s^2. We find no reason to believe that the latter is of cosmological origin. However, the general problem of gaining a qualitative and quantitative understanding of how the cosmological dynamics influences local systems remains challenging, with only partial clues being so far provided by exact solutions to the field equations of General Relativity.

研究动机与目标

• 评估全局宇宙膨胀对局部动力系统（如轨道和致密天体）的影响。
• 分析宇宙膨胀如何影响基于电磁信号交换的测量，包括距离和速度估计。
• 将宇宙学效应的量级与Pioneer 10和11探测器观测到的未解释的10^-9 m/s²加速度进行比较。
• 评估宇宙学动力学是否能定性或定量地解释Pioneer异常。
• 识别理解大尺度宇宙动力学与局部物理系统之间相互作用的开放性挑战。

提出的方法

• 回顾爱因斯坦场方程的精确解，以提取宇宙膨胀如何影响局部系统的见解。
• 分析在全局膨胀影响下束缚系统的运动学与动力学，重点关注远小于宇宙尺度的距离。
• 估算宇宙膨胀对轨道和致密天体构型的影响量级。
• 将这些估算效应与Pioneer探测器观测到的异常加速度（10^-9 m/s²）进行比较。
• 使用广义相对论框架，对膨胀时空中的信号传播与测量畸变进行建模。
• 通过量纲分析与定性分析，评估宇宙学影响与观测到的局部动力学的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 全球宇宙膨胀在多大程度上影响局部系统（如双星或致密天体）的轨道动力学？
• RQ2 在局部情境下，用于测量距离和速度的电磁信号交换在多大程度上受宇宙膨胀影响？
• RQ3 Pioneer 10和11探测器观测到的10^-9 m/s²异常加速度是否可归因于宇宙膨胀？
• RQ4 基于广义相对论的精确解，宇宙影响对局部系统的定量限制是什么？
• RQ5 在实现对宇宙动力学与局部物理之间耦合的完整理解方面，存在哪些根本性挑战？

主要发现

• 宇宙膨胀对尺寸远小于宇宙尺度的局部系统影响可忽略不计。
• 全球膨胀对局部动力学的影响估计量级远小于Pioneer探测器观测到的10^-9 m/s²加速度。
• 本分析未提供有力证据表明Pioneer异常具有宇宙学起源。
• 爱因斯坦场方程的精确解仅能为宇宙动力学对局部系统的影响提供部分见解。
• 理解大尺度膨胀如何影响局部动力学的问题在根本上仍具挑战性且未解决。
• 基于电磁信号的测量受宇宙膨胀影响，但这些效应过于微弱，无法解释Pioneer异常。