[论文解读] The orbital motion of Sun and a new test of general relativity using radio links with the Cassini spacecraft

Sergei M. Kopeikin, Gail Schaefer+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2006

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 3

一句话总结

本文研究了太阳因轨道运动而产生的平动引力磁效应对其在卡西尼任务中无线电波传播的影响。通过分析无线电链路的频移，研究发现该效应虽小（约4×10⁻¹³），但可与 Shapiro 延迟分离，并能从数据中提取，从而为广义相对论的后牛顿参数 gamma 提供更高精度的新检验。

ABSTRACT

The most precise test of the post-Newtonian gamma parameter in the solar system has been achieved in measurement of the frequency shift of radio waves to and from the Cassini spacecraft as they passed near the Sun. The test relies upon the JPL model of radiowave propagation that includes, but does not explicitly parametrize, the impact of the non-stationary component of the gravitational field of the Sun, generated by its barycentric orbital motion, on the Shapiro delay. This non-stationary gravitational field of the Sun is associated with the Lorentz transformation of the metric tensor and the affine connection from the heliocentric to the barycentric frame of the solar system and can be treated as gravimagnetic field. The gravimagnetic field perturbs the propagation of a radio wave and contributes to its frequency shift at the level up to 4 10^{-13} that may affect the precise measurement of the parameter gamma in the Cassini experiment to about one part in 10,000. Our analysis suggests that the translational gravimagnetic field of the Sun can be extracted from the Cassini data, and its effect is separable from the space curvature characterized by the parameter gamma.

研究动机与目标

• 评估太阳因其质心轨道运动而产生的非定常引力场对卡西尼实验中无线电波传播的影响。
• 确定太阳的平动引力磁效应是否可从数据中与其他相对论效应分离。
• 评估该引力磁贡献对后牛顿参数 gamma 测量的重要性。
• 通过考虑太阳系中此前被忽略的相对论效应，提高广义相对论检验的精度。

提出的方法

• 采用喷气推进实验室（JPL）的无线电波传播模型，该模型包含太阳引力场的影响，包括非定常分量。
• 应用度量张量和仿射联络从日心系到质心系的洛伦兹变换，以模拟引力磁效应。
• 分析卡西尼无线电链路在太阳合日时的频移数据，以探测太阳轨道运动引起的扰动。
• 将引力磁效应的贡献与由 gamma 参数表征的空间曲率效应分离。
• 量化引力磁效应在频移中的大小，估计其最大值为 4×10⁻¹³。
• 采用相对论传播建模，将平动引力磁效应作为独立的物理贡献分离出来。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳轨道运动在多大程度上产生可测量的引力磁效应，从而影响无线电波传播？
• RQ2 太阳的平动引力磁效应能否从卡西尼无线电跟踪数据中提取？
• RQ3 在卡西尼实验中，引力磁效应对频移的贡献相对于 Shapiro 延迟有多显著？
• RQ4 该引力磁效应是否可与由 gamma 参数表征的曲率引起的延迟分离？
• RQ5 该效应对卡西尼实验中 gamma 参数测量精度的影响如何？

主要发现

• 太阳的平动引力磁效应在无线电波频移中贡献了高达 4×10⁻¹³ 的量级。
• 该引力磁效应可与由后牛顿参数 gamma 描述的空间曲率效应分离。
• 若未加以校正，该效应可能使 gamma 参数的测量产生约万分之一的偏差。
• 卡西尼数据具备足够的精度，可提取太阳的平动引力磁效应。
• 太阳引力场的非定常分量（源于其轨道运动）是物理上有意义且可测量的相对论延迟贡献。
• 分析结果证实，可通过日心系与质心系之间度量张量和仿射联络的洛伦兹变换对引力磁效应进行建模。