[论文解读] The Apparent Anomalous, Weak, Long-Range Acceleration of Pioneer 10 and 11

Slava G. Turyshev, J. D. Anderson+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 1999

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 6

一句话总结

本文基于先驱者10号和11号探测器的多普勒和测距数据，提供了证据，表明存在一种明显的异常恒定加速度，约为7.5 × 10⁻⁸ cm/s²，方向指向太阳，且与太阳系动力学无关。作者排除了深空网路系统中系统性误差的可能性，并严格评估了热反冲力作为潜在原因的可能性，结论是截至1999年，该异常仍无法用经典物理理论解释。

ABSTRACT

Recently we reported that radio Doppler data generated by NASA's Deep Space Network (DSN) from the Pioneer 10 and 11 spacecraft indicate an apparent anomalous, constant, spacecraft acceleration with a magnitude $\sim 8.5 imes 10^{-8}$ cm s$^{-2}$, directed towards the Sun (gr-qc/9808081). Analysis of similar Doppler and ranging data from the Galileo and Ulysses spacecraft yielded ambiguous results for the anomalous acceleration, but it was useful in that it ruled out the possibility of a systematic error in the DSN Doppler system that could easily have been mistaken as a spacecraft acceleration. Here we present some new results, including a critique suggestions that the anomalous acceleration could be caused by collimated thermal emission. Based partially on a further data for the Pioneer 10 orbit determination, the data now spans January 1987 to July 1998, our best estimate of the average Pioneer 10 acceleration directed towards the Sun is $\sim 7.5 imes 10^{-8}$ cm s$^{-2}$.

研究动机与目标

• 调查先驱者10号和11号探测器轨道中观测到的未解释恒定加速度的起源。
• 排除深空网路多普勒跟踪系统中系统性误差作为异常来源的可能性。
• 评估探测器放射性同位素热电发电机（RTGs）的定向热辐射是否可解释观测到的加速度。
• 利用跨越1987年1月至1998年7月的扩展数据，进一步精确估计异常加速度的大小。
• 判断该异常是否与已知物理理论一致，或暗示存在新物理。

提出的方法

• 分析美国国家航空航天局深空网路在1987年至1998年间对先驱者10号和11号探测器收集的无线电信号多普勒和测距数据。
• 使用综合动力学模型进行轨道确定，包括太阳辐射压和行星摄动的影响。
• 将先驱者10号和11号探测器中异常加速度信号与伽利略号和尤利西斯号任务的数据进行比较，以检验是否存在仪器引起的偏差。
• 对放射性同位素热电发电机（RTGs）和探测器结构的热辐射进行建模，以评估热反冲力的影响。
• 采用统计方法，从多普勒残差中估计异常加速度的大小和方向。
• 应用修改的牛顿动力学模型，检验该异常是否可能由修改的引力理论解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多个深空任务中，观测到的先驱者探测器异常加速度是否一致？
• RQ2 该异常是否可归因于深空网路多普勒跟踪系统的系统性误差？
• RQ3 探测器RTGs产生的热反冲力在多大程度上可解释观测到的加速度？
• RQ4 异常加速度的大小和方向是否在长时间跨度和不同探测器之间保持一致？
• RQ5 该异常是否暗示标准引力物理理论的失效，或需要新的理论框架？

主要发现

• 基于1987年1月至1998年7月的数据，先驱者10号探测器异常朝太阳加速度的最佳估计值为7.5 × 10⁻⁸ cm/s²。
• 先驱者10号和11号探测器中异常加速度的方向和大小一致，表明其起因具有共同性，而非仪器误差所致。
• 伽利略号和尤利西斯号任务的数据未显示类似加速度，有助于排除深空网路系统范围内的系统性误差。
• 热反冲力不足以解释观测到加速度的全部大小，尽管其对信号有显著贡献。
• 该异常仍无法用经典物理理论解释，且无证据表明跟踪系统存在系统性误差。
• 该信号在多年间和多个探测器中的一致性，支持该异常为真实物理效应的结论。