フライバイ異常

フライバイ異常とは、現在の科学モデルと、宇宙船による惑星（通常は地球）のフライバイ中に観測される実際の速度増加（すなわち運動エネルギーの増加）との間の食い違いである。複数のケースで、宇宙船が科学者の予測よりも速い速度を得ることが観測されているが、これまでのところ納得のいく説明は見つかっていない。この異常は、SバンドとXバンドのドップラーおよび測距テレメトリのシフトとして観測されている。フライバイ中に観測される最大の食い違いはわずか13.46 mm/sである。^[1]

重力アシストは太陽系探査にとって貴重な技術です。このようなフライバイ操作の成功は軌道の正確な形状に依存するため、惑星に遭遇中の宇宙船の位置と速度は、たとえばディープ スペース ネットワーク(DSN)を介して地球テレメトリによって継続的に非常に正確に追跡されます。

フライバイ異常は、1990 年 12 月 8 日の ガリレオ宇宙船の地球フライバイ直後に DSN ドップラー データを注意深く検査しているときに初めて発見されました。ドップラー残差 (観測データから計算データを引いた値) は平坦のままであると予想されていましたが、分析によって予想外の 66 mHz のシフトが明らかになりました。これは近地点での速度増加が 3.92 mm/s であることに相当します。ジェット推進研究所(JPL)、ゴダード宇宙飛行センター(GSFC)、テキサス大学でのこの影響の調査では、満足のいく説明は得られていません。

1992年12月のガリレオの2回目の地球フライバイの後は、そのような異常は検出されなかった。このフライバイでは、測定された速度低下は、低高度303kmでの大気抵抗から予想される値と一致した。しかし、抵抗推定には大きな誤差があり、異常な加速を排除することはできなかった。^[2]

1998 年 1 月 23 日、地球接近小惑星ランデブー ( NEAR ) 宇宙船は地球に遭遇した後、異常な速度増加 (13.46 mm/s) を経験しました。カッシーニ・ホイヘンスは1999 年 8 月に約 0.11 mm/s 増加し、ロゼッタは2005 年 3 月の地球フライバイ後に 1.82 mm/s 増加しました。

メッセンジャー探査機（水星を調査）の解析では、予想外の速度増加は見られませんでした。これは、メッセンジャーが赤道に対して対称的に地球に接近し、地球を離れたためと考えられます（以下のデータと提案された方程式を参照）。これは、異常が地球の自転に関連している可能性があることを示唆しています。

2009年11月、ESAのロゼッタ宇宙船は、異常現象に関するさらなるデータを集めるために、接近飛行中にその速度を正確に測定するために綿密に追跡されたが、重大な異常は発見されなかった。^{[3] [4]}

2013年に木星に向かう途中のジュノーのフライバイでは異常な加速は見られなかった。^[5]

2018年、推定恒星間小惑星オウムアムアの軌道を注意深く分析したところ、太陽から遠ざかるにつれてわずかに速度が上昇していることが明らかになった。当初の推測では、この異常はガス放出によるものだとされていたが、ガスは検出されなかった。^[6]

いくつかの地球フライバイ宇宙船の概要を下の表に示す。^{[3] [7]}

異常なフライバイ速度変化に関する経験式は、2008年にJDアンダーソンらによって提案された。^[12]

$${\displaystyle {\frac {dV}{V}}={\frac {2\omega _{\text{E}}R_{\text{E}}(\cos \varphi _{\text{i}} -\cos \varphi _{\text{o}})}{c}},}$$

ここで、ω _Eは地球の角周波数、 R _Eは地球の半径、φ _iとφ _oは宇宙船の赤道方向の入射角と出射角である。この式は後にジャン・ポール・ムベレクによって特殊相対性理論から導き出され、この効果の考えられる説明の1つとなった。^{[13]ただし、これは}SSN残差を考慮していません。以下の「考えられる説明」を参照してください。

フライバイ異常については、次のようないくつかの説明が提案されています。

• 光速度はすべてのフレームで等方性であり、ドップラー効果によって宇宙探査機の速度を測定するために使用される方法で不変であるという仮定の仮定の結果。^[14]測定された矛盾した異常な値（正、ゼロ、または負）は、この仮定を緩和することで簡単に説明できます。フライバイ操作中、観測者方向のプローブの速度成分V _oは、プローブによって送信された無線周波数fの相対変位d fに、ドップラー効果による光の局所速度c ′を乗じて得られます： V _o = (d f / f ) c ′。セスペデス-キュレ仮説によると、^[15]可変の重力エネルギー密度場を通る動きにより、空間の屈折率n ′と光速c ′にわずかな変化が生じ、これが不変cに基づくドップラーデータの予期しない補正につながります。これにより、地球の基準系におけるフライバイ操作の速度やエネルギーの変化の推定が不正確になります。
• 説明されていない横方向ドップラー効果、つまり、半径方向速度がゼロで接線方向速度がゼロでない光源の赤方偏移。^[13]しかし、これでは測距データにおける同様の異常を説明できない。
• 地球の周りの暗黒物質ハロー。^[16]
• フレームドラッグのような重力磁気現象をもたらす弱磁場および線形化された形態の一般相対性理論の影響も調査されているが、^[17]フライバイ異常を説明できないことが判明している。
• NEARフライバイにおける米国宇宙監視ネットワークの距離データによって明らかにされたテレメトリ信号の距離比例過剰遅延。 ^[18]この遅延は、ドップラーと距離データの両方の異常、およびドップラー後続振動を10〜20％以内で説明し、ドップラー率による受信のチャープモードを示しており、DSNによる追跡が近地点付近で中断された場合にのみ正の異常を予測し、継続的に追跡された場合はゼロまたは負の異常を予測します。DSN以外のステーションによって追跡されたドップラーでは異常は発生しないはずです。^[19]
• 位相ねじれ電流の作用は逆行方向のフライバイ異常を予測するが、惑星の回転方向に対して順行方向に宇宙船が惑星に近づくと効果はゼロになる。^[20]
• ジュノーのフライバイの解析では、フライバイの異常を模倣する可能性のある解析エラーが調べられました。彼らは、正確なフライバイ予測には少なくとも50×50係数の高精度重力場が必要であることを発見しました。より低精度の重力場（打ち上げ解析に十分な10×10係数のモデルなど）を使用すると、4.5 mm/sの速度エラーが発生します。^[5]

MICROSCOPEやSTEPなど、重力を研究するために設計されたいくつかのミッションは、非常に正確な重力測定を行うように設計されており、異常の解明に役立つ可能性があります。^[21]しかし、MICROSCOPEは異常を発見することなくミッションを完了しており、^[22] STEPはまだ飛行していません。

• 物理学における未解決問題のリスト
• 修正ニュートン力学
• パイオニアの異常

• JD アンダーソン、JG ウィリアムズ (2001)、「等価性原理の長距離テスト」、Class. Quantum Grav.、18 (13): 2447–2456、Bibcode :2001CQGra..18.2447A、doi :10.1088/0264-9381/18/13/307、S2CID  250861959。
• C. Lämmerzahl、O. Preuss、H. Dittus (2006)、「太陽系内の物理現象は本当に解明されているのか？」、第 359 回 WE-Heraeus セミナー「レーザー、クロック、ドラッグフリー: 将来の宇宙探査と重力テストのためのテクノロジー」議事録、arXiv : gr-qc/0604052、Bibcode :2006gr.qc.....4052L。
• JD アンダーソン、JK キャンベル、MM ニエト (2007)、「惑星フライバイにおけるエネルギー転送プロセス」、New Astronomy、12 (5): 383–397、arXiv : astro-ph/0608087、Bibcode :2007NewA...12..383A、doi :10.1016/j.newast.2006.11.004、S2CID  15913052。
• NASA、宇宙探査機に作用する説明のつかない力に困惑 (2008)、Space.comより。
• JD Anderson、JK Campbell、JE Ekelund、J. Ellis、JF Jordan (2008)、「宇宙船の地球フライバイ中に観測された異常な軌道エネルギー変化」(PDF)、Phys. Rev. Lett.、100 (91102): 091102、Bibcode :2008PhRvL.100i1102A、doi :10.1103/PhysRevLett.100.091102、PMID 18352689、2008-10-16に オリジナル(PDF)からアーカイブ。
• 募集中: アインシュタイン・ジュニア (2008)、Economist.com にて。
• K. Svozil (2007). 「フライバイ異常の微物理学的類似物」. New Astronomy . 12 (5): 383–397. arXiv : 0804.2198 . Bibcode :2007NewA...12..383A. doi :10.1016/j.newast.2006.11.004. S2CID  15913052.

• Lämmerzahl, Claus (2008)。「パイオニア異常、あるいは我々は太陽系の物理学を本当に理解しているのか？」(pdf; 6.25 MB、講演/スライド)。応用宇宙技術および微小重力センター。ブレーメン大学。p. 123。
• Aste, Andreas (2008). 「宇宙船の異常: 最新情報」(PDF)。バーゼル大学物理学部。p. 29。2016-11-07にオリジナル(pdf; 9.8 MB、トーク/スライド)からアーカイブ。2009-10-01に取得。