[论文解读] Tests of general relativity in the solar system

Serge Reynaud, Marc-Thierry Jaekel|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 9被引用 11

一句话总结

本文综述了太阳系中广义相对论的实验检验，重点介绍了利用原子钟、射电科学和激光测距进行的高精度测量。文章探讨了先驱者异常作为广义相对论偏离的潜在迹象，并提出了先进的任务设计与技术（如量子传感器和改进的跟踪系统），以检验广义相对论的度规扩展并解决异常问题。

ABSTRACT

Tests of gravity performed in the solar system show a good agreement with general relativity. The latter is however challenged by observations at larger, galactic and cosmic, scales which are presently cured by introducing "dark matter" or "dark energy". A few measurements in the solar system, particularly the so-called "Pioneer anomaly", might also be pointing at a modification of gravity law at ranges of the order of the size of the solar system. The present lecture notes discuss the current status of tests of general relativity in the solar system. They describe metric extensions of general relativity which have the capability to preserve compatibility with existing gravity tests while opening free space for new phenomena. They present arguments for new mission designs and new space technologies as well as for having a new look on data of existing or future experiments.

研究动机与目标

• 评估当前利用原子钟和射电科学等高精度仪器对太阳系中广义相对论检验的现状。
• 将先驱者异常作为太阳系尺度上新物理或修正引力的可能迹象进行研究。
• 提出下一代任务概念与技术，以增强对广义相对论偏离的敏感度。
• 探讨保持与现有检验兼容的同时允许新现象出现的广义相对论理论扩展。
• 倡导对先驱者数据进行重新分析以及开展新的基于空间的实验，以解决异常起源的不确定性。

提出的方法

• 利用月球激光测距、行星探测器跟踪以及原子钟比对的现有数据，约束等效原理破坏参数和基本常数的恒定性。
• 应用参数化后牛顿（PPN）形式化方法量化广义相对论的偏离，特别关注参数γ和η。
• 通过在度规扰动δg₀₀和δ(g₀₀gᵣᵣ)中引入与r和r²相关的项，对先驱者异常进行建模，以重现观测到的加速度。
• 提出新的任务设计，如先驱者异常探测器任务和奥德赛任务，集成升级的加速度计和量子传感器，以实现高精度重力场测绘。
• 整合先进的跟踪技术——无线电和激光测距——以及高精度星载时钟，以减少系统误差并提高信号检测能力。
• 鼓励利用未来天体测量任务（如GAIA）来绘制引力偏转图，以检验度规参数的角向或径向依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 先驱者异常是否可由热辐射中的系统误差解释，或是否代表一种新的引力效应？
• RQ2 先驱者异常对保持与太阳系检验兼容的广义相对论度规扩展有何影响？
• RQ3 未来搭载量子传感器和改进跟踪系统的任务如何区分异常引力与仪器效应？
• RQ4 参数化后牛顿形式化在多大程度上可用于约束γ和η参数与广义相对论的偏离？
• RQ5 像GAIA这样的任务的天体测量数据能否探测到空间变化的度规异常，例如γ参数对太阳角距离的依赖性？

主要发现

• 实验室和月球激光测距实验将等效原理破坏参数η约束在10⁻¹²以下，支持自由下落的普遍性。
• 原子钟比对结果表明频率比值的年变化率在数×10⁻¹⁶以内，表明基本常数无可观测变化。
• 理论建模表明，先驱者类信号可由δg₀₀中的线性r依赖性或δ(g₀₀gᵣᵣ)中的r²依赖性产生，具有不同的观测特征。
• 对已恢复的先驱者10号和11号遥测及多普勒数据的重新分析已变得可行，预计可澄清异常的起始时间、方向和时间依赖性。
• 如奥德赛任务所提出的，下一代量子传感器有望高精度测绘重力场的两个分量。
• GAIA任务预计将提供全球高精度的引力偏转图，从而通过γ参数的角向或径向变化来检验度规异常。