파이오니어 탐사선의 추진 이상 현상

1998년 10월 5일, 물리학 저널 Physical Review Letters의 81호에 다음과 같은 제목의 논문이 게재되었습니다.

파이오니어 10/11, 갈릴레오, 율리시스 데이터에서 나타난 약하고 장거리의 이상 가속 현상에 대한 증거

존 D. 앤더슨, 필립 A. 라이앙, 유니스 L. 라우, 앤서니 S. 류, 마이클 마틴 니에토, 슬라바 G. 투셰프

.....참고: PACS 번호: 04.80.-y, 95.Eg, 95.55.Pe

.....아래는 초록(Abstract)으로, 먼저 영어 원문과 그 프랑스어 번역을 제시합니다.

파이오니어 10/11, 갈릴레오, 율리시스 우주선의 전파 측정 데이터는 우주선에 작용하는 약 8.5 x 10 cm/s 크기의, 태양을 향하는 이상하고 일정한 가속도를 나타냅니다. 두 개의 독립적인 코드와 물리적 전략을 사용하여 데이터를 분석했습니다. 여러 잠재적 원인이 배제되었습니다. 우리는 미래의 운동학적 시험과 이 신호의 가능한 기원을 논의합니다.

파이오니어 10, 파이오니어 11 및 율리시스 탐사선에서 방출된 전파 신호는 태양을 향하는 약 8.5 x 10 cm/s 크기의 이상 가속도를 나타냅니다. 수신된 데이터를 분석하기 위해 두 개의 독립적인 계산 프로그램이 사용되었습니다. 일부 잠재적 원인은 배제되었습니다. 미래의 운동학적 시험을 언급하며 이 현상의 기원에 대해 고찰합니다.

파이오니어 X

.....논문 요약과 몇 가지 발췌문이 이어집니다.

....먼저 행성 탐사는 1972년 파이오니어 10호의 발사로 시작되었으며, 이어서 1973년 파이오니어 11호가 발사되었습니다. 목성과 토성을 지나며 중력 도움(swing-by) 효과를 받은 두 탐사선은 쌍곡선 궤적을 따라 태양계를 벗어나고 있습니다. 파이오니어 10호는 여전히 신호를 전송하고 있지만, NASA는 1997년 3월 31일, 탐사선이 태양으로부터 67 천문 단위(AU) 거리에 있을 때 이 임무를 공식적으로 종료했습니다. 파이오니어 11호의 무선 시스템은 1990년 10월 1일, 두 번째 탐사선이 태양으로부터 30 천문 단위 거리에 있을 때 작동을 중단했습니다. 어쨌든 회전 안정성이 우수한 덕분에 이 탐사선들은 동역학 연구에 매우 적합한 장비입니다. 5일 간격으로 측정을 수행하면 약 ~ 10-10 cm/s2의 정밀도로 가속도(실제로는 감속도) 측정이 가능합니다. 따라서 제트 추진 연구소(JPL)의 심우주 네트워크(DSN) 부서에서 이 두 탐사선의 궤적을 분석했습니다. 이러한 분석에서는 당연히 행성들의 섭동, 복사압, 행성 간 매질의 영향, 일반 상대성 이론 효과를 고려했습니다. 즉, 단순 케플러 궤도로부터의 모든 알려진 변동 원인을 배제할 수 있는 분석 결과를 얻기 위해 모든 예방 조치를 취했습니다. 1980년 이후, 복사압의 영향(20 천문 단위 거리에서 5 x 10-8 cm/s2 미만의 가속도를 유발하며 r-2에 비례하여 감소)을 무시할 수 있게 되자, 분석 결과 이상적인 감속 성분, 즉 '태양을 향한 가속도'(논문에서 사용된 용어)가 발견되었으며, 그 전형적인 값은 (8 ± 3) 10-8 cm/s2였습니다. 우리는 이 효과가 다음에 기인할 수 있다고 가정했습니다:

• 카이퍼 벨트의 중력장
• 은하의 중력장
• 천문 연대기(ephemerides)의 오차 - 지구 위치 평가의 표준 오차
• 세차 운동과 장동 현상

....하지만 이러한 '힘' 중 어느 것도 이러한 효과를 설명할 수 없었습니다. 세 자릿수의 차이가 났습니다. 그 다음에는 이 현상이 전기 발전기, 즉 플루토늄의 출력 저하 때문일 수 있다고 생각했습니다. 그러나 이 원인은 배제되었습니다. 만약 그렇다면, 이 현상은 선내 전원 공급원의 출력 저하에 따라 시간 경과에 따라 변했을 것이기 때문입니다. 따라서 우리는 탐사선이 태양을 향한 다음 가속도를 받고 있다는 결론에 도달했습니다:

....- 파이오니어 10호: ( 8.09 ± 0.20 ) 10-8 cm/s2
....- 파이오니어 11호: ( 8.56 ± 0.15 ) 10-8 cm/s2

....이 값들은 40에서 60 천문 단위 거리 범위에서 2 x 10-8 cm/s2의 민감도 수준으로 변하지 않았습니다. 우리는 그 다음에 항력 효과, 즉 탐사선의 속도에 비례하는 주변 매질의 점성 작용 효과를 생각했습니다. 그러나 이 두 탐사선의 궤적이 태양에 대한 방사형 궤적과 상당히 다르기 때문에 이는 설득력이 떨어졌습니다.

...그 다음 우리는 분석을 갈릴레오와 황도면 밖을 비행하는 율리시스 탐사선 등 두 개의 다른 탐사선으로 확장했습니다. 도플러 효과 측정과 관련된 방대한 양의 데이터가 이용 가능했습니다. 태양과 관련된 복사압의 무시할 수 없는 영향으로 인해 갈릴레오 탐사선 관련 데이터에서는 아무것도 추출하는 것이 불가능하다는 사실이 빠르게 드러났습니다. 반면, 율리시스 탐사선 데이터의 분석은 기원을 알 수 없는, 여전히 태양을 향한 다음 크기의 가속도를 드러냈습니다:

...- ( 12 ± 3 ) 10-8 cm/s2

...세 번째 탐사선에서도 동일한 현상을 발견하자, 우리는 사용된 코드와 관련된 오류일 수 있다고 생각했습니다. 따라서 CHASMP(Compact High Accuracy Motion Program)를 사용하여 분석 도구를 변경했습니다: 아무런 변화가 없었습니다. 우리는 원자 시계가 '시간에 따라 표류'하거나 지구상의 다른 지점에서 다른 값을 제공할 수 있다고까지 고려하게 되었습니다 (...).

...이와 관련하여, 갈릴레오에서도 동일한 현상 ( 8 ± 3 ) 10-8 cm/s2가 발견되었습니다: 그러나 태양과의 근접성 때문에 이 값은 복사압 효과에서 비롯된 값과 거의 동일했습니다 (파이오니어 10, 파이오니어 11 및 율리시스에서는 복사압 효과를 완전히 무시할 수 있었습니다).

...그 다음에는 파동에서 나오는 광자와 태양풍 사이의 알려지지 않은 상호작용을 생각했습니다 (...). 이후 논의는 '플루토 익스프레스'와 '솔라 프로브'와 같은 미래 임무로 이어졌습니다.

..우리는 이 효과가 태양계 내 암흑 물질의 존재 때문일 수 있는지 궁금해했지만, 이러한 해석은 태양 질량의 3 x 10-4배 이상의 암흑 물질 존재를 의미했습니다. 그러나 이는 가시 물질에 기반한 천문 연대기의 정밀도 신뢰성과 모순됩니다. 두 자릿수 더 작은 기생 질량만으로도 천왕성과 같은 먼 천체에서도 관측 가능한 섭동을 일으키기에 충분하다는 것이 분명합니다. 따라서 암흑 물질 가설은 '질량을 가진 중성미자'의 무리 가설과 함께 기각되어야 했습니다.

...그 다음에는 유카와 힘의 추가를 고려하여 중력 퍼텐셜을 수정하는 것을 검토했습니다. 참고 문헌은 다음과 같습니다:

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

..중력 퍼텐셜은 다음과 같이 됩니다:

l은 이 새로운 힘의 작용 반경입니다. 이러한 유형의 모델은 일정한 가속도로 이어집니다:

여기서 a1은 r1 = 1 천문 단위 거리에서의 뉴턴 가속도입니다. 우리는 뉴턴 법칙이 수정된 다른 모델들도 고려했습니다. 그러나 뉴턴 법칙의 이러한 수정은 태양계 행성들의 궤도에 영향을 미쳐야 합니다. 화성과 같은 행성의 경우, 바이킹과 같은 탐사선은 궤도 매개변수의 변화를 약 100미터 수준으로 감지할 수 있습니다. 화성과 지구가 받는 효과를 결합하면 측정 정밀도는 150미터가 됩니다. 그런데:

파이오니어 효과는 관측되지 않는다.... 여기서의 큰 오차는 전체 행성 천문 연대기와 모순될 것이다.

번역: "파이오니어 효과는 발견되지 않는다.... 이러한 큰 오차는 천문 연대기 데이터와 불일치할 것이다."

...결론: 뉴턴 법칙의 이러한 수정이 화성과 지구의 궤적에 영향을 미친다면(즉, 보편성을 주장한다면), 바이킹 측정의 정밀도로 인한 제약 조건으로 인해 이 효과는 0.1 x 10-8 cm/s2 미만이어야 합니다.

..*.**따라서 회전하는 우주선에 작용하는 이상적인 방사형 가속도가 중력적 기원이라면, 그것은 보편적이지 않다. 즉, 행성 크기의 물체보다는 1000kg 범위의 물체에 100배 이상 더 큰 영향을 미쳐야 한다. 이는 등가 원리의 이상한 위반이 될 것이다. *

번역: 결과적으로, 자전하는 탐사선에서 확인된 이상적인 방사형 가속도가 중력적 기원이라면, 이 효과는 새로운 보편 법칙에 해당하지 않을 것이다. 실제로 이는 질량이 약 1톤인 물체에 행성처럼 거대한 물체보다 100배 이상 더 큰 영향을 미친다는 것을 의미하기 때문이다.

...참고로, 바이킹 데이터는 앞서 언급된 두 번째 코드(CHASMP)로도 분석되었습니다.

...논문의 결론: 이 효과의 원인은 현재까지 완전히 미스터리로 남아 있습니다. 물론, 이 효과는 작지만 완전히 측정 가능하므로, 쌍생 물질(twin matter) 환경의 반발 효과 때문일 수 있는지 궁금해집니다. 쌍생 물질은 모든 규모에서 물질이 없는 곳에 침투하려는 경향이 있습니다. 제 모델에 따르면, '항성 간 진공'은(우리의 우주에 인접한 인접 우주에서) 매우 희박해진 물질의 밀도보다 훨씬 높은 쌍생 물질 밀도를 포함할 것입니다. 체계적인 연구, 모델링, 컴퓨터 시뮬레이션은 매우 흥미로운 박사 논문 주제가 될 것입니다. 불행히도, 이러한 영역으로 모험하는 가련한 박사과정 학생은 연구자로서의 경력이 즉시, 그리고 영구적으로 차단될 것입니다.

레미 쇼뱅(Rémy Chauvin)은 결론으로 사용될 만한 한 문장의 저자입니다:

...무언가를 시작하려고 하면 즉시 다음과 같은 반대 세력이 생깁니다:

...........- 같은 일을 하는 사람들

...........- 반대 일을 하는 사람들

*...........- 아무것도 하지 않는 사람들. *

참고 사항 : 이 이상 가속 효과가 '우주 상수 효과'와 관련되어 있다고 생각할 수 있습니다(논문에서 언급되지 않은 세부 사항). 그러나 관찰된 효과가 감속 방향으로 작용하므로, '진공의 인력'이라고 불러야 할 것입니다. 또한 이 효과는 거리에 따라 증가해야 합니다. 그런데 파이오니어 탐사선, 적어도 그 중 하나는 태양으로부터 약 60 천문 단위, 즉 10^13 미터 거리에 있습니다. 명왕성의 (평균) 궤도를 50억 km, 즉 5 x 10^12 미터로 놓으면, 1972년에 가장 먼저 발사된 이 탐사선들이 태양계 지름의 두 배 거리에 위치함을 알 수 있습니다. 반면, 황도면 밖으로 우주를 오르는 율리시스 탐사선은 3억 km, 즉 천왕성 궤도의 1/10 또는 명왕성 궤도의 1/6까지만 올라갑니다. 따라서 율리시스는 태양에 훨씬 더 가깝습니다. 그런데 율리시스에서 관측된 가속도 이상은 12 x 10-8 cm/s2로, 파이오니어 탐사선에서 관측된 이상보다 1.4배 더 큽니다. 따라서 '우주 상수' 가설은 사전에 배제되는 것으로 보입니다.

...반발하는 쌍생 물질 환경과 관련된 효과라면 어떨까요? 이 관점에서, 물질과 쌍생 물질이 서로 반발하므로, 한쪽이 지배적인 곳에서는 다른 쪽이 부재하며, 그 반대도 마찬가지입니다. 제가 제시한 그림에서는 대규모 구조(VLS)의 '거대한 공동' 중심에 쌍생 물질의 큰 응집체가 위치합니다. 물질은 '접촉된 비눗방울'과 유사한 구조 근처에 배열되며, 은하단은 세 개의 막이 만나는 지점입니다. 이러한 '판'에서는: 은하들은 구조가 그뤼에르 치즈와 유사한 뜨거운 쌍생 물질 환경에 잠겨 있으며, 은하들은 구멍 속에 자리 잡고 있습니다. 그러나 이 모든 것은 도식적입니다. 쌍생 물질은 가능한 모든 곳에 침투하려는 경향이 있습니다. 은하는 물질의 균일한 분포가 아닙니다. 항성 군집에 대해 보면, 은하는 거대한 공허를 채우는 미세한 물질 입자입니다. 이러한 공허에는 성간 가스 구름이 있습니다. 그러나 물질이 만연한 것은 아닙니다. 물질이 희박한 상태인 곳에서는 쌍생 물질이 침투합니다. 따라서 성간 공간은 낮은 밀도의 쌍생 물질을 포함할 수 있다고 상상할 수 있습니다. 이는 시스템의 '구속'에 기여하지만, 그 기여는 미미합니다. 태양계는 중력에 대해 1차 근사에서 점질량, 즉 태양의 질량(2 x 10^30 킬로그램)으로 나타낼 수 있습니다. 이 질량에 비해 행성들은 작은 섭동 물체에 불과합니다. 따라서 쌍생 물질 분포가 존재한다면, 1차 근사에서 그것은 거의 구대칭적인 분포를 가질 것입니다. 별들 사이, 태양에서 먼 곳에서 이 쌍생 물질은 거의 일정한 밀도 r*를 가지며, 태양에 가까워질수록 밀도가 떨어질 것입니다. 이 결손은 구속 효과를 가져와 우주 탐사선을 감속시킵니다. 이 분포를 수치 시뮬레이션을 통해 평가하고, 이러한 해석이 천문 연대기의 정밀도와 양립 가능한지 확인해야 합니다.

카운터 초기화일: 2001년 12월 12일. 열람 횟수 :

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