[论文解读] Testing MOND/TEVES with LISA Pathfinder

C. Trenkel, Steve Kemble+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2010

Geophysics and Gravity Measurements被引用 4

一句话总结

本文提出利用LISA Pathfinder任务在太阳-地球拉格朗日L1鞍点飞行，通过检测MOND（修正牛顿动力学）理论所预测的异常引力梯度，来检验TeVeS（张量-矢量-标量）理论。若任务的梯度仪达到预期性能，将能够探测并表征这些信号；若结果为零，则将强烈质疑TeVeS/MOND理论的有效性。

ABSTRACT

We suggest that LISA Pathfinder could be used to subject TEVES, and in particular the non-relativistic MOND phenomenology it incorporates, to a direct, controlled experimental test, in just a few years' time. The basic concept is to fly LISA Pathfinder through the region around the Sun-Earth saddle point, following its nominal mission, in order to look for anomalous gravity gradients. We examine various strategies to reach the saddle point, and conclude that the preferred strategy, resulting in relatively short transfer times of order one year, probably involves a lunar fly-by. We present robust estimates of the MOND gravity gradients that LISA Pathfinder should be exposed to, and conclude that if the gradiometer on-board the spacecraft achieves its nominal performance, these gradients will not just be detected, but measured and characterised in some detail, should they exist. Conversely, given the large predicted signal based on standard assumptions, a null result would most likely spell the end of TEVES/MOND.

研究动机与目标

• 提出利用LISA Pathfinder任务对修正牛顿动力学（MOND）的TeVeS理论进行直接、受控的检验。
• 评估在约1年内抵达太阳-地球L1鞍点的可行轨道轨迹，包括月球引力助推策略。
• 在标准假设下，估算MOND理论在L1点预期的引力梯度大小。
• 评估若存在此类异常，LISA Pathfinder的梯度仪是否能够探测并表征这些信号。
• 确定零结果对TeVeS与MOND理论可行性的影响。

提出的方法

• 使用牛顿动力学与MOND动力学，建模太阳-地球L1点附近的引力势和引力梯度。
• 利用轨道力学模拟转移轨道轨迹，评估燃料效率与任务时长。
• 将月球引力助推机动作为首选策略，以将转移时间缩短至约一年。
• 基于TeVeS中嵌入的非相对论性MOND现象学，计算预期的MOND引力梯度信号。
• 在仪器性能达到预期的假设下，评估LISA Pathfinder梯度仪对这类信号的探测灵敏度。
• 将预测的MOND信号与预期的仪器噪声水平进行比较，以判断其可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 LISA Pathfinder能否在太阳-地球L1点探测到MOND引起的引力梯度？
• RQ2 在考虑月球引力助推的前提下，抵达L1点的最优轨道路径是什么，且能在一年内完成？
• RQ3 在标准TeVeS假设下，L1点预期的MOND引力梯度有多强？
• RQ4 LISA Pathfinder的梯度仪在多大程度上能够解析并表征潜在的MOND信号？
• RQ5 若未检测到信号，对TeVeS/MOND框架的有效性意味着什么？

主要发现

• 若LISA Pathfinder梯度仪达到其预期性能，太阳-地球L1点的MOND引力梯度信号将足够大，可被探测到。
• 采用月球引力助推的轨道路径可在约一年内实现抵达L1点，是一种可行的最短时间方案。
• 在标准假设下，预测的MOND信号具有鲁棒性，是极具探测潜力的候选信号。
• 若在仪器性能正常的情况下仍未探测到该信号，将构成对TeVeS/MOND理论的强有力反驳。
• 该任务不仅能探测到该信号，还能详细表征其空间分布与方向特性。
• 本研究确立了LISA Pathfinder作为未来几年内对MOND/TeVeS理论进行直接、受控检验的可行平台。