[论文解读] Simulation of the flyby anomaly by means of an empirical asymmetric gravitational field with definite spatial orientation

Hans-Juergen Busack|ArXiv.org|Nov 18, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用 10

一句话总结

本文提出一种经验性的非对称引力场，其空间取向相对于地球运动保持固定，以解释在伽利略、尼尔、罗塞塔、卡西尼和信使号等深空探测器飞越地球时观测到的未解释的速度增加现象（飞越异常）。通过引入一种打破球对称性但不与地球自转或其他天体耦合的修正引力势，该模型成功再现了观测到的多普勒残差，并预测了未来飞越任务中的异常，为标准引力理论提供了一种现象学替代方案。

ABSTRACT

All anomalous velocity increases until now observed during the Earth flybys of the spacecrafts Galileo, NEAR, Rosetta, Cassini and Messenger have been correctly calculated by computer simulation using an asymmetric field term in addition to the Newtonian gravitational field. The specific characteristic of this term is the lack of coupling to the rotation of the Earth or to the direction of other gravitational sources such as the Sun or Moon. Instead, the asymmetry is oriented in the direction of the Earth's motion within an assumed unique reference frame. With this assumption, the simulation results of the Earth flybys Galileo1, NEAR, Rosetta1 and Cassini hit the observed nominal values, while for the flybys Galileo2 and Messenger, which for different reasons are measured with uncertain anomaly values, the simulated anomalies are within plausible ranges. Furthermore, the shape of the simulated anomaly curve is in qualitative agreement with the measured Doppler residuals immediately following the perigee of the first Earth flyby of Galileo. Based on the simulation, an estimation is made for possible anomalies of the recently carried out flybys of Rosetta at Mars on 25.02.07 and at the Earth on 13.11.07, and for the forthcoming Earth flyby on 13.11.09. It is discussed, why a so modelled gravitational field has not been discovered until now by analysis of the orbits of Earth satellites, and what consequences are to be considered with respect to General Relativity.

研究动机与目标

• 解释多个星际探测器飞越地球时观测到的未解释的速度增加现象。
• 解决长期存在的飞越异常之谜，即航天器在标准引力模型之外出现意外的速度变化。
• 提出一种现象学引力场模型，解释该异常现象，而无需引入新物理或与地球或其他天体的自转或轨道动力学耦合。
• 利用现有飞越数据验证该模型，并预测未来任务中的异常。
• 讨论此类场对广义相对论的影响，以及为何其在地球卫星轨道分析中尚未被探测到。

提出的方法

• 在牛顿势中引入一个经验性的非对称引力场项，打破球对称性。
• 该场的非对称性在首选惯性参考系中与地球运动方向对齐，独立于地球自转或其他引力源。
• 该场以拉格朗日量中的矢量势项形式表述，修改运动方程而不改变标准引力常数。
• 数值模拟计算飞越过程中的轨迹偏差和多普勒频移，并与实际遥测数据进行比较。
• 该模型对非对称性采用固定的空间取向，确保在不同飞越几何和任务配置下保持一致性。
• 模拟包含对测量精度较低的飞越任务（如伽利略2号和信使号）的误差分析与不确定性估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 经验性的非对称引力场能否解释多个星际探测器飞越地球时观测到的速度异常？
• RQ2 尽管该场可能具有影响，为何其在地球卫星轨道分析中尚未被探测到？
• RQ3 该模型相对于地球运动的固定空间取向如何影响异常速度偏移的大小和符号？
• RQ4 模拟的异常曲线在多大程度上与第一次伽利略飞越近近地点时的实测多普勒残差曲线匹配？
• RQ5 对于未来的飞越任务（包括罗塞塔号2007年火星和地球飞越以及2009年地球飞越），该模型预测的异常值是多少？

主要发现

• 该模型以高精度成功再现了伽利略1号、尼尔、罗塞塔1号和卡西尼号飞越任务中观测到的典型速度异常。
• 对于伽利略2号和信使号，模拟的异常值落在合理的不确定性范围内，与它们测量精度较低的事实一致。
• 该模型对第一次伽利略飞越的多普勒残差曲线形状的模拟与实测数据定性匹配，尤其在近地点附近表现良好。
• 该模型预测罗塞塔号2007年火星飞越和2007年地球飞越均存在可测量的异常，其数值取决于几何构型和取向。
• 该模型表明，异常并非源于与地球自转或太阳、月球等引力源的耦合，而是源于与地球运动方向固定的定向场。
• 该场在地球卫星轨道分析中未被探测到，归因于其微弱且具有方向性的特性，以及近地轨道未经历与深空飞越相同的运动学条件。