[论文解读] Solar Mass Loss, the Astronomical Unit, and the Scale of the Solar System

Peter D. Noerdlinger|ArXiv.org|Jan 24, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 47被引用 29

一句话总结

本文研究了太阳质量损失（估算为~9.13×10⁻¹⁴ M☉/yr）对行星轨道扩张和轨道周期延长的影响，同时在当前定义下，天文单位（AU）必须对数收缩。论文提出通过参考太阳质量重新定义AU，或调整高斯引力常数以维持AU的稳定性，其影响涉及星历表精度以及对轴子辐射和引力常数变化的约束。

ABSTRACT

The radiative and particulate loss of mass by the Sun, -9.13*10^-14 Solar masses per year or more causes the orbits of the planets to expand at the same rate, and their periods to lengthen at twice this rate. Unfortunately, under the present definition of the Astronomical Unit (AU) based on the fixed Gaussian gravity constant kGS = 0.01720209895 (AU)^1.5/day, the value AUmet of the AU in meters must decrease at 1/3 this rate, all these rates being expressed logarithmically. The progress of the planets along their orbits slows quadratically with time. For example, in one century Mercury would lag behind the position predicted using constant solar mass by almost 1.4 km, in two centuries 5.5 km. The value of AUmet can be made constant by redefining it, based on a reference solar mass unit, such as the solar mass at J2000; else, the solar Gaussian gravity constant kGS used in defining the AU could be redefined proportional to the square root of the solar mass. Improved accuracy of the ephemerides would impose useful bounds on losses due to axion emission (Sikivie 2005). With no axion emission the Earth's semi-major axis grows 1.37 m/cy; with the maximum allowable such emission the result is 1.57 m/cy. Under reasonable assumptions about alternate gravity theories, radar delay data are used to show that the effect of a changing Newtonian gravity constant is negligible.

研究动机与目标

• 研究太阳质量损失对行星轨道扩张和周期延长的动力学后果。
• 分析当前天文单位（AU）定义如何导致AUmet因太阳质量损失而对数收缩。
• 提出AU或高斯引力常数（kGS）的替代定义，以维持AU值的稳定。
• 利用雷达时间延迟和星历表数据约束轴子辐射和替代引力理论。
• 评估牛顿引力常数变化对太阳系动力学的影响。

提出的方法

• 利用轨道力学推导太阳质量损失导致的轨道扩张速率和周期延长速率。
• 应用对数变化率量化在当前AU定义下AUmet的收缩程度。
• 提出基于参考太阳质量（例如J2000历元的太阳质量）重新定义AU，以稳定其数值。
• 建议将高斯引力常数kGS按太阳质量平方根成比例重新定义，以维持AU的稳定性。
• 分析雷达时间延迟数据，以限制牛顿引力常数变化的影响。
• 利用改进的星历表，通过比较预测的轨道扩张与观测限制，约束轴子辐射。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳质量损失如何影响行星轨道的扩张速率和轨道周期的延长？
• RQ2 为何当前天文单位（AU）的定义会导致AUmet尽管存在太阳质量损失却仍对数减少？
• RQ3 能否通过基于参考太阳质量重新定义AU或调整高斯引力常数来稳定AU？
• RQ4 雷达延迟数据在多大程度上可约束牛顿引力常数的变化？
• RQ5 基于地球半长轴的预期变化，太阳质量损失对轴子辐射施加了何种限制？

主要发现

• 太阳质量损失约9.13×10⁻¹⁴ M☉/yr导致行星轨道以相同速率扩张，轨道周期以两倍速率延长。
• 在当前AU定义下，AUmet以太阳质量损失速率的1/3对数减少，导致可测量的轨道滞后。
• 由于质量损失引起的轨道延迟，水星在百年后将滞后近1.4公里，两百年后达5.5公里。
• 在无轴子辐射情况下，地球的半长轴每年增长1.37米；在最大轴子辐射情况下，增长达1.57米/百年。
• 雷达延迟数据表明，牛顿引力常数的变化对太阳系动力学影响可忽略不计。
• 改进的星历表可通过精确测量轨道演化，约束轴子辐射和替代引力理论。