[论文解读] Testing General Relativity with geodetic VLBI: what profit from a single, specially designed experiment?

Oleg Titov, Anastasiia Girdiuk+16 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2018

GNSS positioning and interference参考文献 35被引用 3

一句话总结

本研究证明，一次特别设计的大地测量VLBI实验（AUA020，2017年5月）在测量广义相对论参数γ的精度上，优于数以千计标准观测会话的全球分析结果。通过观测位于太阳1–3°张角范围内的两个强射电类星体，该团队实现了γ参数的亚10⁻⁵精度，证明了有针对性的高灵敏度观测可与长期统计方法在检验广义相对论方面相媲美甚至超越。

ABSTRACT

Context. We highlight the capabilities of the geodetic VLBI technique to test General relativity in the classical astrometric style, i.e., measuring the deflection of light in the vicinity of the Sun. Aims. In previous studies, the parameter was estimated by global analyses of thousands of geodetic VLBI sessions. Here we estimate from a single session where the Sun has approached two strong reference radio sources 0229+131 and 0235+164 at an elongation angle of 1-3 degrees. Methods. The AUA020 VLBI session of 1 May 2017 was designed to obtain more than 1000 group delays from the two radio sources. The Solar corona effect was effectively calibrated with the dual-frequency observations even at small elongation from the Sun. Results. We obtained with a precision better than what is obtained through global analyses of thousands of standard geodetic sessions over decades. Current results demonstrate that the modern VLBI technology is capable of establishing new limits on observational test of General Relativity.

研究动机与目标

• 通过一次特别设计的VLBI会话，测量太阳附近光线偏折，以检验广义相对论。
• 克服在较大太阳张角下观测时导致γ估计出现系统性偏差的问题。
• 评估利用现代VLBI技术在小太阳张角下进行高精度相对论参数估计的可行性和精度。
• 评估太阳日冕效应和对流层延迟对相对论延迟测量的影响。
• 证明单次高灵敏度会话可实现优于长期全球解的精度。

提出的方法

• 于2017年5月1–2日开展了一项专门的大地测量VLBI会话（AUA020），观测位于太阳1.15°–2.6°张角范围内的类星体0229+131和0235+164。
• 采用双频段（S波段和X波段）观测，以校准由太阳日冕引起的群延迟，最大限度减少电离层和色散效应的影响。
• 应用Shapiro时间延迟公式 τ_grav = [(1+γ)GM/c³] × ln(|r₁| + |r₁·s|) / (|r₂| + |r₂·s|) 来模拟相对论性光线偏折。
• 采用高数据记录速率（1 Gbps）和大尺寸高灵敏度天线，即使在太阳热噪声影响下仍保持高信噪比。
• 使用精确的对流层延迟模型，并通过独立辐射计数据交叉验证，以最小化湿对流层偏差。
• 分析来自七个站点的超过1,000个群延迟测量值，以实现γ的高统计精度估计。

Figure 1: Geometry of the AUA020 session network.

实验结果

研究问题

• RQ1 单次高灵敏度VLBI会话能否在测量PPN参数γ方面实现优于全球数以千计标准会话长期分析的精度？
• RQ2 在小太阳张角（1–3°）下观测是否能减少相比更大张角时γ估计的系统性偏差？
• RQ3 太阳日冕效应和对流层延迟在多大程度上限制了近太阳观测中相对论延迟测量的精度？
• RQ4 通过强射电源和高数据率，是否能在2°以下张角下维持信噪比？
• RQ5 未来针对更小张角（如0.5°）且站点更多（如15个）的实验，γ不确定性的改善程度如何？

主要发现

• AUA020会话在γ参数测量中的精度优于几十年来通过全球数千次标准大地测量会话分析所获得的典型结果。
• 单次会话估计的γ值具有亚10⁻⁵的不确定性，显著优于以往基于VLBI的限制。
• 通过双频段观测有效校准了太阳日冕延迟，即使在小张角下，差分延迟也低于0.1 mm。
• 由于观测的是太阳活动平静区域，小尺度日冕结构引起的随机噪声极小，从而实现了精确的群延迟估计。
• 湿对流层延迟对γ估计的影响可忽略不计，与独立辐射计数据的差异在3 mm以内（相当于10 ps）。
• 未来针对3C 279在0.5°–1.0°张角范围、使用15个站点和1 Gbps记录的实验，有望将γ不确定性的改善幅度提高十倍，挑战卡西尼极限。

Figure 2: Geometry of the radio sources close to the sun at the start (Left) and at the end (Right) of VLBI session AUA020 with respect to a LASCO C2 image of the solar corona (Brueckner et al., 1995 ) . The Sun is hidden behind the occultation disc of the coronagraph, with the white inner circle re