[论文解读] Optical Design for the Laser Astrometric Test of Relativity

Slava G. Turyshev, Michael Shao+1 more|ArXiv.org|Feb 25, 2005

History and Developments in Astronomy被引用 3

一句话总结

本文提出了激光天体测量相对论测试（LATOR）任务，这是一项基于空间的光学干涉测量任务，利用两颗微小航天器与国际空间站之间的激光测距，以前所未有的精度检验广义相对论。通过测量太阳附近的引力光偏转和太阳系尺度上的 Shapiro 时间延迟，LATOR 旨在将爱丁顿参数 γ 的测量精度提高到 10^9 分之 1，其对标量-张量引力效应的探测灵敏度比卡西尼任务高出 30,000 倍。

ABSTRACT

This paper discusses the Laser Astrometric Test Of Relativity (LATOR) mission. By using a combination of independent time-series of highly accurate gravitational deflection of light in the immediate proximity to the Sun along with measurements of the Shapiro time delay on the interplanetary scales (to a precision respectively better than $10^{-13}$ radians and 1 cm), LATOR will significantly improve our knowledge of relativistic gravity. The primary mission objective is to i) measure the key post-Newtonian Eddington parameter $γ$ with accuracy of a part in 10$^9$. $(1-γ)$ is a direct measure for presence of a new interaction in gravitational theory, and, in its search, LATOR goes a factor 30,000 beyond the present best result, Cassini's 2003 test. Other mission objectives include: ii) first measurement of gravity's non-linear effects on light to $\sim$0.01% accuracy; including both the traditional Eddington $β$ parameter and also the spatial metric's 2nd order potential contribution (never been measured before); iii) direct measurement of the solar quadrupole moment $J_2$ (currently unavailable) to accuracy of a part in 200 of its expected size; iv) direct measurement of the ``frame-dragging'' effect on light by the Sun's rotational gravitomagnetic field to one percent accuracy. LATOR's primary measurement pushes to unprecedented accuracy the search for cosmologically relevant scalar-tensor theories of gravity by looking for a remnant scalar field in today's solar system. The key element of LATOR is a geometric redundancy provided by the laser ranging and long-baseline optical interferometry. We discuss the mission and optical designs of this proposed experiment.

研究动机与目标

• 通过以 10^9 分之 1 的精度测量爱丁顿参数 γ，检验引力的纯张量度规性质，其精度比卡西尼 2003 年的结果提高 30,000 倍。
• 以约 0.01% 的精度测量引力对光传播的非线性效应，包括此前未测量的二阶空间度规势贡献。
• 以预期值的 1/200 精度直接测量太阳的四极矩 J₂，解决当前观测中的空白。
• 以 1% 的精度探测太阳的引力磁性‘参考系拖拽’效应对光传播的影响，检验旋转引力效应。

提出的方法

• 利用两颗微小航天器与国际空间站上的信标站之间进行长基线光学干涉测量和激光测距，实现几何冗余并精确测定基线。
• 采用窄带滤波器、日冕仪光学系统和外差探测技术，抑制太阳背景光，实现在太阳边缘附近的信号采集。
• 利用国际空间站的轨道运动提供变化的基线投影，消除静态干涉测量系统中常见的条纹模糊问题。
• 使用 μg 加速度计抑制国际空间站结构引起的振动，确保干涉测量的稳定性。
• 依赖为空间干涉测量任务（SIM）开发并经飞行验证的成熟光学技术，实现任务的快速开发和高可靠性。
• 在地球大气层之上运行，避免大气天体测量噪声，确保地面系统无法达到的高精度测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 爱丁顿参数 γ 是否能以 10^9 分之 1 的精度测量，从而提供迄今为止对广义相对论张量度规结构最严格的检验？
• RQ2 太阳引力场中光偏转的二阶非线性贡献是否能以约 0.01% 的精度测量，揭示超出标准后牛顿理论的效应？
• RQ3 太阳四极矩 J₂ 是否能以 0.5% 的精度直接测量，从而解决其在太阳系模型中的当前不确定性？
• RQ4 光传播中由太阳自转引起的引力磁性参考系拖拽效应是否能以 1% 的精度探测到，从而证实广义相对论预测的旋转引力效应？
• RQ5 该实验是否能探测到宇宙演化遗留的标量场，表明偏离纯张量引力，支持标量-张量理论？

主要发现

• LATOR 任务设计可将爱丁顿参数 γ 的测量精度达到 10^9 分之 1，相比卡西尼 2003 年测量结果提升 30,000 倍。
• 实验将对太阳引力场中光偏转的二阶非线性项实现约 0.01% 的测量精度，首次实现对该效应的直接观测。
• 太阳四极矩 J₂ 将以预期值的 1/200 精度直接测量，解决当前观测中的不确定性。
• 太阳自转引起的参考系拖拽效应对光传播的影响将实现 1% 精度的测量，为引力磁性提供新颖检验。
• 该任务基于几何冗余和激光干涉测量的光学设计，消除了条纹模糊问题，实现了太阳附近高精度天体测量。
• 利用国际空间站作为稳定平台，并结合先进光学技术，使 LATOR 成为一项技术成熟、可行性高的中型探索任务（MIDEX 类），具备明确的技术实现路径。