パイオニア探査機の異常な物理的加速

1998年10月5日、Physical Review Letters誌の第81号に、以下のような論文が掲載されました：

Pioneer 10/11、Galileo、Ulyssesデータからの、見かけ上の異常で弱い長距離加速度の証拠。

ジョン・D・アンドリソン、フィリップ・A・ライン、ユニス・L・ロウ、アントニー・S・リュー、マイケル・マーティン・ニートー、スラヴァ・G・チュイシェフ

.....参照：PACS番号：04.80.-y、95、Eg、95.55.Pe

.....以下は要約であり、まず英語で、次にそのフランス語訳です：

パイオニア10/11、ガリレオ、ユリスの無線電波データは、太陽に向かって一定の異常な加速度が探査機に作用していることを示しています。その大きさは8.5 × 10

cm/s

です。データを分析するために2つの独立したコードと物理的戦略が使用されました。いくつかの潜在的な原因は排除されました。今後の運動論的テストとこの信号の原因について議論されます。

パイオニア10、パイオニア11、およびユリス探査機から送信された無線信号は、太陽に向かって約8.5 × 10

cm/s

の異常な加速度を示しています。受信データを分析するために2つの独立したコンピュータープログラムが使用されました。いくつかの原因は排除されました。今後の運動論的テストとこの現象の原因について考察されています。

パイオニアX

.....その後、論文の要約といくつかの抜粋が続きます。

....遠隔惑星の探査は1972年にパイオニア10の打ち上げにより開始され、1973年にパイオニア11が打ち上げられました。ジュピターと土星を通過する際に重力スラスター効果を経験した2機の探査機は、その後、太陽系を離れる双曲線軌道を取っています。パイオニア10は現在も信号を送信していますが、NASAは1997年3月31日に公式にこのミッションを終了し、そのとき探査機は太陽から67天文単位の距離にありました。パイオニア11の無線システムは、1990年10月1日に、その探査機が太陽から30天文単位の距離にあったときに停止しました。しかし、それらの探査機は回転による優れた安定性により、動的分析に非常に適しています。加速度（実際には減速）の測定は、5日ごとに測定をスケジュールすることで、評価精度が約10-10 cm/s2に達します。したがって、これらの2機の探査機の軌道は、JPL（ジェット推進研究所）のDSN（ディープ・スペース・ネットワーク）で分析されました。このような分析では、惑星の摂動、放射圧、惑星間物質の効果、一般相対性理論の効果など、すべての要因を考慮しました。要するに、すべての注意が払われ、既知の原因による変化を排除した分析結果が得られました。1980年以降、放射圧の効果（距離の二乗に反比例して減少）は無視できるようになったため、20天文単位の距離で5 × 10-8 cm/s2以下の加速度が生じました。分析では、異常な減速成分、つまり「太陽に向かう加速度（論文で使用された用語）」が見られ、その典型的な値は（8 ± 3） × 10-8 cm/s2でした。その後、この効果が以下のような原因によるものであると考えました：

• クイーパー帯の重力場
• 銀河の重力場
• 情報の誤差 - 地球の位置の一般的な誤差
• 進動や章動の現象。

....しかし、これらの「力」はこの効果を説明するには十分ではありませんでした。その差は3桁以上ありました。その後、この現象が電源の出力低下、つまりプルトニウムによるものである可能性を考慮しました。しかし、この原因は排除されました。なぜなら、もし電源の出力低下が原因であれば、その現象は電源の出力低下に応じて時間とともに変化していたはずだからです。したがって、私たちは探査機が太陽に向かって約：

....- パイオニア10では（8.09 ± 0.20） × 10-8 cm/s2
....- パイオニア11では（8.56 ± 0.15） × 10-8 cm/s2

....の加速度を受けていたと結論付けました。この値は、40〜60天文単位の距離範囲内で、2 × 10-8 cm/s2の感度で変化しませんでした。その後、空気抵抗の効果、つまり周囲の媒体の粘性による力の影響を考慮しました。これは、これらの2機の探査機の軌道が太陽に対して放射状ではなく、かなり異なるため、あまり信頼性がありませんでした。

...その後、我々は2機の他の探査機、ガリレオとユリスの分析を拡大しました。ユリスの軌道は黄道面の外にあります。ドップラー効果に関する測定データが大量に利用可能でした。すぐに、太陽の放射圧の効果が無視できないため、ガリレオのデータから何かを抽出することは困難であることがわかりました。一方、ユリスのデータ分析は、太陽に向かって常に同じ方向の、未知の加速度を示しました。その値は：

...- （12 ± 3） × 10-8 cm/s2

...この3番目の機体でも同じ現象が見られ、これは使用したコードの誤りによる可能性を考慮しました。したがって、分析ツールをCHASMP（コンパクト・ハイ・アキュラシー・モーション・プログラム）に変更しましたが、変化はありませんでした。その後、原子時計が時間とともに「ずれ」たり、地球の異なる場所で異なる値を示す可能性を検討しました（...）。

...これにより、ガリレオでも同じ現象（8 ± 3） × 10-8 cm/s2が見られました。しかし、太陽に近いことにより、この値は放射圧の効果によって得られた値とほぼ同じでした（これはパイオニア10、パイオニア11、ユリスでは完全に無視できるものでした）。

...その後、光子と太陽風の未知の相互作用を考慮しました（...）。その後の議論は、「プレート・エクスプレス」と「ソーラー・プローブ」などの今後のミッションに焦点を当てました。

..我々は、この効果が太陽系内にダークマターが存在するためである可能性を検討しましたが、このような解釈は太陽系内のダークマターの質量が3 × 10-4太陽質量を超えることを意味します。しかし、これは観測された天体の質量に基づく天体の位置の正確性に矛盾します。2桁小さい不純物の質量でも、例えば天王星のような遠くの物体でも観測可能な摂動を引き起こす可能性があります。したがって、ダークマターの仮説と「質量を持つニュートリノの群れ」の仮説は放棄されました。

..その後、ヤウカの力の追加を考慮して重力ポテンシャルを修正することを検討しました。参照：

..M.M Nieto and T Goldman, Phys. Rev. Rep. 205 , 221 (1991) ; 216 , 343 (1992).

..重力ポテンシャルは次のように変化します：

l はこの新しい力の作用半径です。このようなモデルは一定の加速度をもたらします：

ここで、a1 は距離 r1 = 1天文単位におけるニュートン的加速度です。また、ニュートンの法則が変更された他のモデルも考慮しました。ただし、このニュートンの法則の変更は、太陽系内の惑星の軌道に影響を与える必要があります。マーズのような惑星では、バイキング探査機が軌道パラメータの変化を約100メートルの精度で検出できます。マーズと地球の両方に影響を与える効果を組み合わせると、測定精度は150メートルになります。しかし：

The Pioneer effect is not seen.... a large error here would cause inconsistencies withe the overall planetary ephemeris.

訳：「パイオニア効果は見られません。...ここでの大きな誤差は、全体的な惑星の位置計算と矛盾します。」

...結果として、このニュートンの法則の変更がマーズや地球の軌道に影響を与える（つまり、普遍的な法則であることを主張する）場合、バイキングによる測定の精度により、効果は0.1 × 10-8 cm/s2以下でなければなりません。

..*.**Consequently, if the anomalous radial acceleration acting on spinning spacecraft is gravitational in origin, it is not universal. That is, it must affect bodies in the 1000 kg range more than bodies of planetary size by a factor of 100 or more. This would be a strange violation of the Equivalence Principle. *

訳：したがって、回転する探査機に作用する異常な放射状加速度が重力的起源を持つ場合、それは普遍的な法則ではありません。つまり、1000kg程度の物体に対して、惑星サイズの物体よりも100倍以上影響を与えることになります。これは等価原理の非常に奇妙な破壊です。

...その途中で、バイキングのデータが別のコード（CHASMP）で分析されたことも述べられています。

...論文の結論：この効果の原因は現在のところ完全な謎です。もちろん、このような効果が弱いものの、完全に測定可能なものであることを考えると、これは双子の物質環境の反発効果によるものである可能性を疑いたくなります。この双子の物質は、あらゆるスケールで物質が存在しない場所に浸透する傾向があります。私のモデルでは、隣接する宇宙（私たちの宇宙とは異なる）の間にある「銀河間空間」には、非常に希薄な物質よりもはるかに高い双子物質の密度が含まれています。体系的な研究、モデル化、コンピュータシミュレーションは非常に魅力的な博士論文のテーマになります。しかし、このようなテーマに取り組もうとする学生は、研究者としてのキャリアがすぐに消え去り、永久に終わってしまいます。

レミ・シャヴィンが結論として述べた一文：

...何かを始めるとき、すぐに以下の者たちが反対に立つ：

...........- 同じことをしている人々

...........- 逆のことをしている人々

*...........- 何もしない人々。 *

一言の追加：この異常な加速度効果が宇宙定数に関係している可能性を想像するかもしれません（この点は論文には記載されていません）。しかし、観測された効果は減速の方向を示しているため、「空間の引力」を語るべきです。また、この効果は距離とともに増加する必要があります。パイオニア探査機、特にそのうちの1機は、太陽から約60天文単位、つまり1013メートルの距離にあります。冥王星の平均軌道を50億キロメートル、つまり5 × 1012メートルとすると、これらの探査機は太陽系の直径の2倍の距離にあります。一方、黄道面の外を宇宙を探索するユリスは、約3億キロメートルの距離にあり、これは天王星の軌道の10分の1、冥王星の軌道の6分の1に相当します。したがって、ユリスは太陽に非常に近いです。しかし、ユリスで観測された定常的な加速度異常は12 × 10-8 cm/s2であり、パイオニア探査機で観測された異常の1.4倍です。これは、宇宙定数の仮説を事前に排除するものです。

...双子物質の反発的な環境に関連する効果は？この観点から、双子物質と物質が互いに反発するため、一方が支配的であれば、もう一方は存在しない、逆もまた然りです。私が示した図では、大きな双子物質の塊は、宇宙の大規模構造（VLS）を構成する「大きな空洞」の中心に位置しています。物質は、まるで「結合した石鹸の泡」のような構造に沿って配置され、銀河のクラスタは3枚のフィルムの接点になります。このような「フィルム」：銀河は、熱く構造化された双子物質の環境に浸かっており、銀河はその空洞に位置しています。しかし、これはまだ図式的な説明です。双子物質は、どこにでも浸透しようとする傾向があります。銀河は均一な物質分布ではありません。星の集団に対しては、非常に大きな空洞を占める小さな物質の粒です。このような空洞には、確かに銀河間ガスの雲があります。しかし、物質は常に存在するわけではありません。そのような希薄な状態では、双子物質が浸透します。したがって、銀河間空間には、低密度の双子物質が含まれている可能性があります。これは、システムの「閉じ込め」にわずかな寄与をもたらします。太陽系は重力の観点から、太陽の質量（2 × 1030キログラム）という一点の質量として表すことができます。この質量に対して、惑星はわずかな擾乱物です。したがって、双子物質の分布があるとすれば、それは第一近似でほぼ球対称の分布を持つことになります。太陽から遠く離れた星の間では、双子物質の密度はr*ほぼ一定であり、太陽に近づくにつれて減少します。この欠けた部分が、閉じ込め効果をもたらし、宇宙探査機を減速させます。この分布を数値シミュレーションを用いて評価し、そのような解釈が天体の位置計算の精度と整合するかどうかを確認する必要があります。

2001年12月12日に初期化。アクセス数：

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