[论文解读] Relativistic Gravity Theory And Related Tests With A Mercury Orbiter Mission

Slava G. Turyshev, J. D. Anderson+1 more|ArXiv.org|Jun 13, 1996

Relativity and Gravitational Theory参考文献 14被引用 6

一句话总结

本文提出利用未来水星轨道器任务开展一系列相对论引力检验，借助水星强引力场和轨道偏心率，检验广义相对论及其它理论。论文引入一种广义的类费米-诺尔姆参考系与双参数（γ, β）形式化方法，分析诸如近日点进动、测地线进动和红移等相对论效应，强等效原理是实验验证的关键目标。

ABSTRACT

Due to its relatively large eccentricity and proximity to the Sun, Mercury's orbital motion provides one of the best solar-system tests of relativistic gravity. We emphasize the number of feasible relativistic gravity tests that can be performed within the context of the parameterized weak field and slow motion approximation - a usefulframework for testing modern gravitational theories in the solar system. We discuss a new approximation method, which includes two Eddington parameters $(γ,β)$, proposed for construction of the relativistic equations of motion of extended bodies. Within the present accuracy of radio measurements, we discuss the generalized Fermi-normal-like proper reference frame which is defined in the immediate vicinity of the extended compact bodies. Based on the Hermean-centric equations of motion of the spacecraft around the planet Mercury, we suggest a new test of the Strong Equivalence Principle. The corresponding experiment could be performed with the future {\it Mercury Orbiter} mission scheduled by the European Space Agency ({\small ESA}) for launch between 2006 and 2016. We discuss other relativistic effects including the perihelion advance, redshift and geodetic precession of the orbiter's orbital plane about Mercury.

研究动机与目标

• 开发一种利用高精度水星轨道器跟踪技术测试太阳系内相对论引力的框架。
• 通过引入适用于延展致密天体的广义类费米-诺尔姆参考系，克服现有弱场近似方法的局限性。
• 实现对水星周围相对论效应（如近日点进动、红移和轨道平面进动）的精确测量。
• 提出一种基于轨道器在水星引力场中动力学的新方法，用于检验强等效原理。
• 为未来欧洲空间局贝皮科洛姆博任务的数据解释提供理论基础。

提出的方法

• 采用参数化后牛顿（PPN）框架，利用两个爱丁顿参数（γ, β）描述偏离广义相对论的偏差。
• 基于广义固有参考系，推导航天器在水星附近的赫尔曼心系运动方程。
• 构建一种适用于延展致密天体的类费米-诺尔姆坐标系，以精确建模局部时空几何。
• 将该形式化方法应用于预测相对论效应，如近日点移动、测地线进动和引力红移。
• 利用无线电跟踪数据提取相对论参数，并通过差分加速度测量检验强等效原理。
• 在弱场、慢速运动近似下积分运动方程，以确保与观测精度的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过水星轨道器任务以高精度检验强等效原理？
• RQ2 利用水星轨道上航天器的相对论跟踪技术，γ 和 β 爱丁顿参数的约束精度能达到多高？
• RQ3 在水星轨道动力学中，近日点进动和测地线进动等相对论效应的量级有多大？
• RQ4 广义类费米-诺尔姆参考系如何提升对水星等延展致密天体附近航天器运动的建模精度？
• RQ5 无线电跟踪数据对太阳系内区偏离广义相对论的敏感度预期如何？

主要发现

• 所提出的框架可利用水星轨道器任务实现对相对论引力的高精度检验，对爱丁顿参数 γ 和 β 的偏差具有敏感度。
• 广义类费米-诺尔姆参考系为建模水星等延展致密天体周围的局部时空几何提供了稳健的数学工具。
• 轨道器绕水星的近日点进动可通过当前无线电跟踪技术测量，为广义相对论提供直接检验。
• 轨道平面的测地线进动和引力红移效应显著且可被预期任务精度检测到。
• 提出了一种基于测试质量在水星引力场中差分加速度的新方法，用于检验强等效原理，具有改进约束的潜力。
• 该理论框架与贝皮科洛姆博任务预期的数据质量兼容，可实现对太阳系内相对论引力的严格检验。