1998년 10월 5일, 학술지 Physical Review Letters는 제81호에 다음과 같은 제목의 논문을 게재했다:
파이오니어 10/11, 갈릴레오, 율리시스 데이터에서 나타난 명백한 이상하고 약한 장거리 가속의 징후.
John D. Anderson, Philip A. Laing, Eunice L. Lau,
Anthony S. Liu, Michael Martin Nieto and Slava G. Tuyshev
.....참조
: PACS 번호: 04.80.-y, 95,Eg, 95.55.Pe
.....다음은 초록으로, 먼저 영어로, 그다음 프랑스어 번역이다:
| ...파이오니어 10/11, 갈릴레오, 율리시스 우주선의 전파 측정 데이터는 우주선에 작용하는, 태양을 향한, 크기 8.5 x 10-8 cm/s2의 명백한 이상하고 일정한 가속을 보여준다. 데이터를 분석하기 위해 두 개의 독립적인 코드와 물리적 전략이 사용되었다. 여러 잠재적 원인이 배제되었다. 우리는 향후 운동학적 시험과 신호의 가능한 기원을 논의한다. |
| ...파이오니어 10, 파이오니어 11, 율리시스 탐사선이 발사한 전파 신호는 태양을 향한 이상 가속을 보여주며, 그 크기는 8.5 x 10-8 cm/s2 정도이다. 수신된 데이터를 분석하기 위해 두 개의 독립적인 계산 프로그램이 사용되었다. 일부 잠재적 원인은 배제될 수 있었다. 향후 운동학적 시험을 언급하고 이 현상의 기원에 의문을 제기한다. |
파이오니어 X
.....다음은 논문의 요약과 몇 가지 발췌이다.
....먼 우주 행성 탐사는 72년 파이오니어 10호 발사로 시작되었고, 73년 파이오니어 11호가 뒤따랐다. 목성과 토성을 지나며 중력 새총 효과를 받은 두 탐사선은 쌍곡선 궤도를 취하게 되어 태양계를 벗어나게 되었다. 파이오니어 10호가 여전히 신호를 보내고 있음에도 NASA는 1997년 3월 31일, 탐사선이 태양으로부터 67 천문단위 거리에 있을 때 이 임무를 공식 종료했다. 파이오니어 11호의 전파 시스템은 1990년 10월 1일, 이 두 번째 탐사선이 태양으로부터 30 천문단위 거리에 있을 때 작동을 멈추었다. 어쨌든 뛰어난 회전 안정성 덕분에 이 탐사선들은 역학 연구에 매우 좋은 장비이다. 가속도 측정(실제로는 감속도)은 측정을 5일에 걸쳐 분산시켜 수행할 수 있으며, 이는 ~ 10-10 cm/s2의 평가 정밀도로 이어진다. 따라서 JPL(제트추진연구소)의 DSN(심우주통신망) 부서에서 두 기체의 궤적을 분석했다. 이런 분석에서는 당연히 행성에 의한 섭동, 복사압, 행성간 매질의 효과, 일반상대성이론 효과를 고려했다. 요컨대 단순한 케플러 궤도에 대한 모든 알려진 변동 원인을 제거하는 분석 결과를 얻기 위해 모든 예방 조치를 취했다. 1980년부터 복사압 효과(r-2로 감소하며, 20 천문단위 거리에서 5 x 10-8 cm/s2 미만의 가속을 유발)가 무시될 수 있게 되자, 분석은 비정상적인 감속 성분, 즉 "태양을 향한 가속"(논문에서 사용된 용어를 그대로 옮기자면)을 보고했으며, 그 전형적인 값은 (8 ± 3) 10-8 cm/s2였다. 우리는 그때 이 효과가 다음 때문일 수 있다고 생각했다:
- 카이퍼 벨트의 중력장
- 은하의 중력장
- 천체력의 오류
- 지구 위치 평가의 표준 오류
- 세차 및 장동 현상.
....그러나 이 "힘" 중 어느 것도 그러한 효과를 정당화하지 못했다: 세 자릿수나 부족했다. 그다음에는 플루토늄 발전기의 출력 저하 때문일 수 있다고 상상했다. 그러나 이 원인은 배제되었는데, 만약 그렇다면 현상은 시간에 따라 이 온보드 전원의 출력 저하에 따라 변했을 것이기 때문이다. 따라서 우리는 탐사선들이 태양을 향한 가속을 받고 있다는 결론에 이르게 되었다:
....- 파이오니어 10호의 경우 ( 8.09 ± 0.20 ) 10-8 cm/s2
....- 파이오니어 11호의 경우 ( 8.56 ± 0.15 ) 10-8 cm/s2
....이 값들은 40에서 60 천문단위 범위에서 2 10-8 cm/s2의 감도 수준까지 변하지 않았다. 그때 우리는 탐사선 속도에 비례하는 항력, 주변 매질 점성 작용의 효과를 생각했다. 그러나 두 탐사선의 궤적이 태양에 대한 방사형 궤적과 상당히 다르기 때문에 그다지 신빙성은 없었다.
...그래서 우리는 분석을 두 다른 탐사선, 즉 갈릴레오와 황도면 밖에 궤적이 있는 율리시스 탐사선으로 확장했다. 도플러 효과 측정에 관한 막대한 양의 데이터가 이용 가능했다. 갈릴레오 탐사선 관련 데이터에서는 태양과 관련된 복사압의 무시할 수 없는 효과 때문에 무엇도 추출하기 불가능해 보였다. 반면 율리시스 관련 데이터 분석은 알 수 없는 기원의, 여전히 태양을 향한 가속을 드러냈으며, 그 값은:
...- ( 12 ± 3 ) 10-8 cm/s2
...세 번째 기체에서 같은 현상을 다시 발견하자, 우리는 사용된 코드와 관련된 오류일 수 있다고 생각했다. 그래서 CHASMP(Compact High Accuracy Motion Program)를 사용하여 분석 도구를 바꾸었다: 아무 변화도 없었다. 우리는 원자 시계가 "시간에 따라 표류"하거나 심지어 지구의 여러 지점에서 다른 값을 줄 수 있다고 생각하게 되었다 (...).
...그럼에도 갈릴레오에서 같은 현상 ( 8 ± 3 ) 10-8 cm/s2을 다시 발견했다: 그러나 태양 근접성 때문에 이 값은 사실상 복사압 효과에서 나온 값과 거의 같았다(반면 파이오니어 10, 파이오니어 11, 율리시스에서는 완전히 무시될 수 있었다).
...그다음에는 파동에서 나온 광자와 태양풍 사이의 알려지지 않은 상호작용을 생각했다 (...). 논의는 이후 "플루토 익스프레스"와 "솔라 프로브" 같은 미래 임무로 이어졌다.
..우리는 이 효과가 태양계 내 암흑물질의 존재에 기인할 수 있는지 자문했지만, 이런 해석은 3 10-4 태양질량보다 많은 양의 암흑물질 존재를 함의했다. 그러나 그것은 가시 질량에 기반한 천체력 정밀도의 신뢰성과 모순될 것이다. 두 자릿수 더 적은 기생 질량만으로도 천왕성만큼 먼 천체를 포함해 관측 가능한 섭동을 만들기에 충분할 것이다. 따라서 암흑물질 경로는 포기되어야 했고, "질량 있는 중성미자" 떼라는 가설도 마찬가지였다.
..그다음에는 유카와 힘의 추가를 고려하여 중력 퍼텐셜을 수정하는 것을 생각했다. 참조는:
..M.M Nieto and T Goldman, Phys. Rev. Rep. 205 , 221 (1991) ; 216 , 343 (1992).
..그러면 중력 퍼텐셜은 다음과 같이 된다:
l은 이 새로운 힘의 작용 반경이다. 이런 유형의 모델은 일정한 가속으로 이어진다:
여기서 a1은 거리 r1 = 1 천문단위에서의 뉴턴 가속이다. 우리는 뉴턴 법칙이 수정된 다른 모델들도 고려했다. 그런데 이 뉴턴 법칙 수정은 태양계 행성들의 궤도에도 영향을 미쳐야 한다. 화성 같은 행성의 경우 바이킹형 탐사선은 궤도 매개변수의 100미터 정도 변동을 탐지할 수 있다. 화성과 지구가 동시에 받을 영향을 결합하면 측정 정밀도는 150미터가 될 것이다. 그런데:
The Pioneer effect is not seen.... a large error here would cause inconsistencies withe the overall planetary ephemeris.
번역: "파이오니어 효과는 발견되지 않는다.... 그렇게 큰 오류는 전체 행성 천체력과 불일치를 초래할 것이다."
...그 결과: 만약 이 뉴턴 법칙 수정이 화성과 지구의 궤적에 영향을 미친다면(즉 보편성을 주장한다면), 바이킹 측정 정밀도가 부과하는 제약 때문에 효과는 0.1 10-8 cm/s2 미만이어야 한다.
..*.*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 factort 100 or more. This would be a strange violation of the Equivalence Principle.
번역: 결과적으로, 자전하는 탐사선에서 드러난 이상한 방사형 가속이 중력 기원이라면, 그 효과는 새로운 보편 법칙에 해당하지 않을 것이다. 실제로 이는 이 효과가 질량이 1톤 정도인 물체에서 행성만큼 질량이 큰 물체보다 약 100배 더 중요하다는 것을 의미할 것이다.
...덧붙여, 바이킹 데이터도 이미 위에서 언급한 두 번째 코드(CHASMP)로 분석되었다는 점을 기록해 둔다.
...논문의 결론: 효과의 원인은 당분간 완전한 수수께끼로 남아 있다. 물론 그렇다면 그런 효과(지극히 측정 가능하기는 하지만 약한)가 물질이 없는 곳이면 어디든 모든 규모에서 스며드는 경향이 있는 쌍둥이 물질 환경의 반발 효과 때문일 수 있지 않을까 묻고 싶어진다. 나의 모델에 따르면 "성간 진공"은 (우리와 인접한 우주에서) 매우 희박해진 물질의 밀도보다 훨씬 높은 쌍둥이 물질 밀도를 포함할 것이다. 체계적 연구, 모델링, 컴퓨터 시뮬레이션은 아주 훌륭한 논문 주제가 될 것이다. 아쉽게도 그런 물에 뛰어든 불쌍한 대학원생은 연구 경력이 즉시, 영원히 매장되는 것을 보게 될 것이다.
레미 쇼뱅은 결론으로 삼을 문장의 저자이다:
...무언가를 시작하려 하면 즉시 다음 사람들이 적이 된다:
...........- 같은 일을 하는 사람들
...........- 반대 일을 하는 사람들
...........- 아무것도 하지 않는 사람들.
지나가는 말: (논문에 언급되지 않은 세부 사항이지만) 이 비정상 가속 효과가 "우주상수 효과"와 연결될 수 있다고 생각할 수도 있다. 그러나 관찰된 효과가 감속 방향으로 작용하므로 "진공의 인력"이라고 말해야 할 것이다. 한편 이 효과는 거리에 따라 증가해야 한다. 그런데 파이오니어 탐사선, 적어도 그중 하나는 약 60 천문단위, 즉 태양으로부터 1013미터 거리에 있다. 명왕성의 (평균) 궤도를 50억 km, 즉 5 1012미터로 놓으면, 이 탐사선들(가장 오래된 것은 72년에 발사됨)이 태양계 지름의 두 배 거리에 있음을 알 수 있다. 반면 황도면 밖에서 우주를 오르는 율리시스 탐사선은 3억 km, 즉 천왕성 궤도의 10분의 1, 명왕성 궤도의 6분의 1밖에 오르지 않는다. 따라서 율리시스는 태양에 훨씬 더 가깝다. 그런데 율리시스에서 관찰된 가속 이상은 12 10-8 cm/s2로, 파이오니어 탐사선에서 확인된 이상보다 1.4배 더 크다. 따라서 이는 선험적으로 "우주상수" 경로를 배제하는 듯하다.
...반발하는 쌍둥이 물질 환경과 연결된 효과라면 어떨까? 이런 관점에서 물질과 쌍둥이 물질은 서로 밀어내므로, 한쪽이 지배적인 곳에는 다른 쪽이 없고 그 반대도 마찬가지다. 내가 제시한 도식에서 쌍둥이 물질의 거대한 집합체는 우주의 대규모 구조(VLS)를 구성하는 "거대 공동"의 중심에 위치할 것이다. 그러면 물질은 "서로 맞붙은 비누방울"을 연상시키는 구조 근처에 배열될 것이며, 은하단은 세 겹의 접합점이 될 것이다. 이 "판" 안에서: 은하는 뜨거운 쌍둥이 물질 환경에 잠겨, 일종의 그뤼예르 치즈처럼 구조화되고, 은하는 틈새에 둥지를 튼다. 그러나 이 모든 것은 도식적이다. 쌍둥이 물질은 가능한 모든 곳에 스며드는 경향이 있다. 은하는 균일한 물질 분포가 아니다. 항성 개체군에 비해, 그것들은 거대한 공동을 채우는 아주 작은 물질 알갱이다. 그 공동에는 물론 성간 가스 구름이 있다. 그러나 물질은 어디에나 있지 않다. 물질이 희박한 상태로 있는 곳에 쌍둥이 물질이 스며든다. 따라서 성간 공간이 낮은 밀도의 쌍둥이 물질을 포함할 수 있다고 상상할 수 있다. 그것은 그러면 계의 "구속"에 기여하지만 미미하다. 태양계는 중력에 관해 1차 근사로 점질량, 즉 태양의 질량 2 1030킬로그램으로 나타낼 수 있다. 이 질량에 비해 행성들은 작은 섭동 물체에 불과하다. 결과적으로 쌍둥이 물질 분포가 있다면, 그것은 1차 근사로 거의 구형 대칭을 가진 분포일 것이다. 별들 사이, 태양에서 멀리, 이 쌍둥이 물질은 거의 일정한 밀도 r*를 가질 것이며, 태양에 가까워지면 떨어질 것이다. 구속 효과를 가진 이 공동이 우주 탐사선을 감속시킬 것이다. 수치 시뮬레이션으로 이 분포를 평가하고 그러한 해석이 천체력 정밀도와 양립 가능한지 보아야 할 것이다.
카운터 초기화 2001년 12월 12일. 조회 수:
