パイオニア異常

パイオニア異常、またはパイオニア効果とは、パイオニア10号とパイオニア11号探査機が太陽系外への軌道上で約20天文単位（3×10⁹ km、2×10⁹ mi）を通過した後に観測された、予測された加速度からのずれのことである。この見かけ上の異常は^{長年にわたり}大きな関心を集めたが、その後、探査機の熱損失によって引き起こされる異方性放射圧によって説明された。  

パイオニア探査機2機は太陽系から脱出しつつありますが、太陽の重力の影響で減速しています。航行データを綿密に調べたところ、探査機の減速速度が予想よりもわずかに大きいことが判明しました。その結果、太陽に向かって極めて小さな加速が生じ、(8.74 ± 1.33) × 10 ⁻¹⁰  m/s ²であり、これは、外向きの速度が 10 倍減少することに相当する。 10年間で時速1kmの加速。2機の宇宙船は1972年と1973年に打ち上げられた。異常な加速は1980年には既に認識されていたが、1994年まで本格的な調査は行われなかった。[ 1 ^{]どちらの}宇宙船とも最後に通信したのは2003年だが、記録されたデータの分析は継続されている。

この異常現象を説明するために、宇宙船の挙動と重力そのものの両方について、さまざまな説明が提案された。1998年から2012年にかけて、ある特定の説明が受け入れられるようになった。超高真空に囲まれ、それぞれが放射性同位体熱電発電機（RTG）で駆動する宇宙船は、熱放射によってのみ熱を放出できる。宇宙船の設計上、放射異方性と呼ばれる現象によって特定の方向に多くの熱が放出される場合、熱光子の反動により、宇宙船は放出された過剰な放射とは反対の方向にわずかに加速する。過剰な放射とそれに伴う放射圧が太陽とは反対の方向に向けられている場合、宇宙船の太陽から遠ざかる速度は、重力や惑星間空間（不完全な真空）による微弱な摩擦など、これまで認識されていた力では説明できないほどの速度で減少することになる。

2012年までに、宇宙船に内在する熱放射圧の力を再分析した複数のグループによる論文がいくつか発表され、これを注意深く考慮すれば異常全体が説明できることが示されました。したがって、原因はありふれたものであり、新たな現象や物理法則の更新の必要性を示唆するものではありません。^{[ 2 ] [ 3 ]}当初の研究者の一部による、現在までの最も詳細な分析では、熱力を推定する2つの方法を明示的に検討し、「2つの推定値の間には統計的に有意な差はなく、熱反動力が適切に考慮されれば、異常な加速は残らない」と結論付けています。^{[ 4 ]}

パイオニア10号と11号は、それぞれ木星と木星/土星へのミッションに送られました。両探査機は、ジャイロスコープの力を使って高利得アンテナを地球に向けておくために、スピン安定化されていました。探査機にはスラスタが搭載されていましたが、惑星接近後は、地球の軌道を追跡するための半年ごとの円錐走査マヌーバにのみ使用され、 ^{[ 5 ]}太陽系外縁部を巡航する長い「クルーズ」フェーズに入りました。この期間中、両探査機は、その物理的環境に関するさまざまな測定値を取得するために繰り返し通信され、最初のミッションが完了した後も長い間、貴重な情報を提供しました。

宇宙船は「巡航」中にほとんど追加の安定化推力なしで飛行していたため、宇宙船の動きに対する太陽媒体の影響からその密度を特徴づけることが可能でした。太陽系外縁部では、この影響は深宇宙環境の地上観測に基づいて容易に計算できます。これらの影響を他の既知の影響すべてと合わせて考慮すると、パイオニアの計算された位置は、宇宙船から送信される無線信号の戻り時間の計測に基づく測定値と一致しませんでした。これらの測定値は一貫して、両方の宇宙船が本来あるべき位置よりも数千キロメートルも太陽系内縁部に近いことを示していました。これは太陽からの距離に比べれば小さいですが、それでも統計的に有意です。この明らかな不一致は、測定が繰り返されるにつれて時間とともに大きくなり、異常を引き起こしている何らかの要因が依然として宇宙船に作用していることを示唆しています。

異常が拡大するにつれ、宇宙船の移動速度が予想よりも遅くなっているように見えた。ドップラー効果を用いた宇宙船の速度測定でも同じ結果が示された。観測された赤方偏移は予想よりも小さく、これはパイオニア探査機が予想以上に減速していたことを意味していた。

宇宙船に作用する既知のすべての力を考慮に入れたところ、非常に小さいが説明のつかない力が残った。それは、ほぼ一定の太陽方向への加速を引き起こしているように見えた。両方の宇宙船について(8.74 ± 1.33) × 10 ⁻¹⁰ m/s ^{2 で} あった。測定された速度と既知の力 (主に重力) に基づいて宇宙船の位置を 1 年前に予測すると、実際には、 年末には太陽に400km近づいていた。この異常な動きは、宇宙船固有の熱反動力によって説明できると考えられている。

1998年から、熱反動力が過小評価されているのではないかという指摘があり、^{[ 6 ] [ 7 ]}おそらく異常現象全体を説明できるのではないかという意見もあった。^{[ 8 ]}しかし、熱力を正確に考慮することは困難であった。なぜなら、宇宙船の温度のテレメトリ記録と詳細な熱モデルが必要であったが、どちらも当時は入手できなかったからである。さらに、すべての熱モデルは、時間の経過とともに効果が減少すると予測していたが、これは最初の分析では見られなかった。

これらの異議は一つずつ対処された。古いテレメトリー記録の多くが見つかり、現代の形式に変換された。^{[ 9 ]}これにより、宇宙船の各部分の消費電力と温度が得られた。いくつかのグループが詳細な熱モデルを構築し、^{[ 3 ] [ 10 ] [ 11 ]}既知の温度と電力と照らし合わせて検証し、反動力を定量的に計算することができた。航行記録の期間が長くなると、加速度が実際に減少していることがわかった。^{[ 12 ]}

2012年7月、スラバ・トゥリシェフらは、フィジカル・レビュー・レターズ誌に、この異常現象を説明する論文を発表した。この研究では、パイオニア10号に対する熱反跳力の影響を調査し、「熱反跳力を適切に考慮すれば、異常な加速は残らない」と結論付けた。^{[ 4 ]}トゥリシェフらの論文は、現在までに最も詳細な分析を行っているが、熱反跳力に基づく説明は、さまざまな計算手法を用いた他の独立した研究グループからも支持されている。例えば、「熱反跳圧力はロゼッタのフライバイ異常の原因ではないが、パイオニア10号で観測された異常な加速を解決する可能性が高い」^{[ 3 ]}や、「異常な加速全体は熱効果によって説明できることが示されている」^{[ 13 ]などがある。}

パイオニア探査機は、追加の軌道修正なしに長期間飛行を続けてきたため、この効果を発見するのに非常に適した存在だった。パイオニア探査機以降に打ち上げられた深宇宙探査機のほとんどは、惑星のいずれかで停止するか、ミッション全体を通して推進装置を使用していた。

ボイジャーはパイオニアと同様のミッションプロファイルで飛行したが、スピン安定化は行われなかった。代わりに、地球と一直線を保つために、姿勢制御のためにスラスタを頻繁に噴射する必要があった。ボイジャーのような宇宙船は、頻繁な姿勢制御噴射の副作用として、小さく予測不可能な速度変化を受ける。この「ノイズ」により、パイオニア効果のような小さな加速度を測定することは非現実的であり、 ^10⁻⁹ m/s²^ほどの加速度は^検出できない。^{[ 14 ]} 

ガリレオとユリシーズを含む、より新しい宇宙船は、ミッションの一部または全部でスピン安定化を使用しています。これらの宇宙船は同様の効果を示していますが、さまざまな理由（太陽への相対的な近さなど）から、これらの情報源から確固たる結論を導き出すことはできません。カッシーニミッションは、姿勢制御のためにリアクションホイールとスラスタを備えており、巡航中はリアクションホイールのみに長期間依存することができ、それによって精密な測定が可能になりました。また、宇宙船本体の近くに放射性同位体熱電発電機（RTG）が搭載されており、予測困難な方向にキロワットの熱を放射していました。^{[ 15 ]}

カッシーニは土星に到着した後、挿入噴射とホイヘンス探査機の放出に使用した燃料から質量の大部分を放出した。これにより、放射力が作用する質量が少なくなるため、放射力による加速度が増加する。この加速度の変化により、放射力を重力加速度とは独立して測定することができる。^{[ 16 ]}巡航と土星周回軌道の結果を比較すると、カッシーニの場合、モデル化されていない加速度のほぼすべてが放射力によるものであり、わずかな残留加速度のみがパイオニアの加速度よりもはるかに小さく、符号が逆であることがわかった。^{[ 17 ]}

深宇宙探査機ニューホライズンズの非重力加速度は約1.25 × 10 ⁻⁹  m/s ²太陽方向、^{[ 18 ]}パイオニアへの影響よりやや大きい。熱効果のモデリングによると、太陽方向への加速は1.15 × 10 ⁻⁹  m/s ² , ^{[ 19 ]}であり、不確実性を考慮すると、測定された非重力力の発生源として熱放射が妥当であるように思われる。測定された加速度は、RTG の熱出力の減少から予想されるように、ゆっくりと減少している。

当初報告された異常現象には、熱力学的解では説明できない2つの特徴がある。それは、異常現象の周期的な変動と、土星の軌道付近での異常現象の発生である。

まず、この異常は見かけ上の年間周期性と見かけ上の地球恒星日周期性を持ち、その振幅は形式的には誤差予算よりも大きい。^{[ 20 ]}しかし、同じ論文では、この問題はおそらく異常とは関係がないとも述べている。「年間項と日周期項は、同じモデリング問題の異なる現れである可能性が非常に高い。[...] このようなモデリング問題は、選択された基準座標系に対する宇宙機の姿勢のパラメータのいずれかに誤差がある場合に発生する。」

第二に、パイオニア11号の土星接近中および接近後に測定された異常の値は、比較的高い不確実性と著しく低い値を示した。^{[ 20 ] [ 21 ]} Turyshevらによる2012年の論文では、熱解析をパイオニア10号のみと比較した。パイオニア異常は、パイオニア10号が土星接近を通過するまで気づかれなかった。しかし、最新の解析では、「図2は、以前に報告されたパイオニア異常の「開始」が実際には太陽熱寄与のモデル化の誤りによる単純な結果である可能性が高いことを強く示唆している。この問題は、初期の軌道データのさらなる解析によって解決される可能性がある」と述べている。^{[ 4 ]}

熱反跳による説明が受け入れられる以前は、他の提案された説明は「ありふれた原因」と「新しい物理学」の2つのカテゴリーに分類されていました。ありふれた原因には、測定誤差、ガス漏れによる推​​力、不均一な熱放射など、最初の分析で見落とされたり誤ってモデル化されたりした従来の効果が含まれます。「新しい物理学」による説明は、重力物理学の理解の修正を提案するものでした。

パイオニア異常が、既知の重力法則の長距離的な修正による重力効果であったとすれば、それは主要な自然天体の軌道運動に同じように影響を与えなかった（特に、パイオニア異常が現在知られている形で現れた領域で運動している天体）。したがって、重力による説明は、すべての物体が重力によって同じように影響を受けるという等価原理^{に違反する必要がある。そのため、外惑星とその}衛星の運動の測定とモデリングの精度がますます高まるにつれて^{、パイオニア異常が重力起源の現象である可能性が損なわれていると主張された[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26] [ 27 ] [28] [ 29 ] [30] [ 31 ]}。しかし、外惑星と準惑星冥王星の運動に関する我々の知識は、パイオニア異常の重力的な性質を否定するにはまだ不十分であると考える者もいた。^{[ 32 ]}同じ著者らは、太陽系外縁部における重力的なパイオニア型超加速の存在を、海王星以遠天体のサンプルを用いて否定した。^{[ 33 ] [ 34 ]}

パイオニア効果の大きさ${\displaystyle a_{p}}$（(8.74 ± 1.33) × 10 ⁻¹⁰  m/s ² ) は、数値的には積 ( 光速の（6.59 ± 0.07）× 10 ⁻¹⁰ m/s ^2倍${\displaystyle c}$そしてハッブル定数${\displaystyle H_{0}}$宇宙論的な関連性を示唆するものの、現在では特に重要な意味はないと考えられている。実際、TuryshevとToth ^{[ 14 ]}が行った最新のジェット推進研究所レビュー（2010年）では、比較的従来型の情報源を考慮することで宇宙論的な関連性を排除したと主張しているが、他の科学者たちは宇宙論モデル自体の物理的意味合いに基づいて反証を提供している。^{[ 35 ] [ 36 ]}

太陽系や天の川銀河のような重力で束縛された物体は、宇宙の膨張には関与しないと考えられている。これは従来の理論^{[ 37 ]と直接測定[ 38 ]}の両方で知られている。これは、宇宙論的起源の可能性のある惑星の永年加速による抵抗効果によって新しい物理学がたどる道を妨げるものではない。

この異常現象は、他の宇宙船で観測されているフライバイ異常現象と関連している可能性はあるが、証明はされていない。 ^{[ 49 ]}状況は大きく異なるものの（惑星フライバイと深宇宙クルーズ）、全体的な効果は似ており、はるかに大きな従来の重力加速度に加えて、小さくても説明のつかない速度変化が観測される。

パイオニア探査機はもはや新たなデータを提供しておらず（最後の通信は2003年1月23日）^{[ 50 ]}、研究対象となる可能性のある他の深宇宙探査ミッション（ガリレオとカッシーニ）は、それぞれ木星と土星の大気圏で意図的に廃棄された。そのため、今後の研究にはいくつかの選択肢が残されている。

• 回収されたパイオニアデータのさらなる分析。これには、異常を検出するために最初に使用されたデータだけでなく、最近まで古いアクセス不可能なコンピュータ形式とメディアにのみ保存されていた追加データも含まれる。このデータは2006年に回収され、より新しい形式に変換され、現在分析に利用可能となっている。^{[ 51 ]}
• 冥王星探査機ニューホライズンズは長期間スピン安定化されており、この探査機を使って異常現象を調査するという提案があった。ニューホライズンズには、カッシーニ探査機の巡航部分で良好なデータが得られなかったのと同じ問題、すなわちRTGが探査機本体の近くに搭載されているという問題があることは知られていた。（探査機から反射される熱放射は、パイオニア探査機の当初の効果と同等かそれ以上の、容易には予測できない大きさの系統的な推力を生み出す）。しかし、RTGによる大きな系統的バイアスにもかかわらず、土星の軌道上またはその近傍での異常現象の「始まり」が観測されるかもしれないと期待されていた。^{[ 52 ]}
• 専用のミッションも提案されている。^{[ 53 ]}このようなミッションはおそらく、 太陽から200天文単位離れた双曲線脱出軌道上。
• 周辺の小惑星の観測20  AU は、異常の原因が重力によるものであれば、洞察を与えてくれるかもしれない。^{[ 33 ] [ 54 ]}

2004年にブレーメン大学でパイオニア異常について話し合う会議が開かれた。 ^{[ 55 ]}

パイオニア探査コラボレーションは、パイオニア異常を研究するために結成され、スイスのベルンにある国際宇宙科学研究所で3回の会議（2005年、2007年、2008年）を開催し、異常について議論し、その原因を解明するための可能な手段について議論した。^{[ 56 ]}

• フライバイ異常

• Anderson, J D.; Laing, PA; Lau, EL; Liu, AS; Nieto, MM; Turyshev, SG (1998). 「パイオニア10/11、ガリレオ、ユリシーズのデータ​​から、見かけ上の異常で弱い長距離加速の兆候」Physical Review Letters . 81 (14): 2858–2861 . arXiv : gr-qc/9808081 . Bibcode : 1998PhRvL..81.2858A . doi : 10.1103 /PhysRevLett.81.2858 . S2CID 119046858 . 

異常現象を記述した元の論文

• Anderson, J D.; Laing, PA; Lau, EL; Liu, AS; Nieto, MM; Turyshev, SG (2002). "パイオニア10号と11号の異常加速の研究". Physical Review D . 65 (8) 082004. arXiv : gr-qc/0104064 . Bibcode : 2002PhRvD..65h2004A . doi : 10.1103/PhysRevD.65.082004 . S2CID 92994412 . 

1998年の論文でこの異常現象を報告した著者らが、数年にわたる議論を詳細に調査した長文の論文。著者らは、「より詳しいことが分かるまでは、この現象の最も可能性の高い原因は未知の系統的要因であると認めざるを得ない。（我々自身も、『ガス漏れ』か『熱』のどちらがこの『最も可能性の高い原因』であるかについては意見が分かれている）」と結論付けている。

上記のISSI会議には、一次資料、説明の試み、新しい物理学の提案、考えられる新しいミッション、一般向け報道など、さまざまなセクションに分かれた優れた参考文献リストが掲載されています。以下にその一部を示します。

• Reardon, AC (2011). "V541 Cygni、DI Herculis、およびパイオニア異常の重力解析". Astrophysics and Space Science . 336 (2): 369–377 . Bibcode : 2011Ap & SS.336..369R . doi : 10.1007/s10509-011-0789-4 . S2CID 120040068 . この理論は、2つの連星系で観測された説明のつかない近星点移動とパイオニア異常との間に重力的な関連性があることを示している。
• Anderson, JD; Turyshev, SG; Nieto, MM (2002). "パイオニア異常を検証するミッション". International Journal of Modern Physics D . 11 (10): 1545. arXiv : gr-qc/0205059 . Bibcode : 2002IJMPD..11.1545A . CiteSeerX 10.1.1.338.6120 . doi : 10.1142/S0218271802002876 . S2CID 15011574 .  
• Dittus, H.; et  al. (Pioneer Explorer Collaboration) (2005). "A Mission to Explore the Pioneer Anomaly". ESA Special Publication . 588 : 3– 10. arXiv : gr-qc/0506139 . Bibcode : 2005gr.qc.....6139T .
• Nieto, MM; Turyshev, SG (2004). "パイオニア異常の起源の発見". Classical and Quantum Gravity . 21 (17): 4005–4024 . arXiv : gr-qc/0308017 . Bibcode : 2004CQGra..21.4005N . CiteSeerX 10.1.1.338.6163 . doi : 10.1088/0264-9381/21/17/001 . S2CID 250852698 .  

専用ミッション計画に関する詳細な説明（閲覧制限あり）

• Page, JF; Dixon, DS; Wallin, JF (2005). 「小惑星は外太陽系の重力を評価するために使用できるか？」 . The Astrophysical Journal . 642 (1): 606. arXiv : astro-ph/0504367 . Bibcode : 2006ApJ...642..606P . doi : 10.1086/500796 .
• Nieto, MM; Anderson, JD (2005). "初期データを使用してパイオニア異常を解明する". Classical and Quantum Gravity . 22 (24): 5343– 5354. arXiv : gr-qc/0507052 . Bibcode : 2005CQGra..22.5343N . CiteSeerX 10.1.1.339.8927 . doi : 10.1088/0264-9381/22/24/008 . S2CID 15534323 .  
• Brownstein, JR; Moffat, JW (2006). "パイオニア10/11異常の重力解". Classical and Quantum Gravity . 23 (10): 3427–3436 . arXiv : gr-qc/0511026 . Bibcode : 2006CQGra..23.3427B . doi : 10.1088/0264-9381/23/10/013 . S2CID 7854105 . 

一般向け報道

• Musser, G. (1998年12月). 「先駆的なガス漏れ？」. Scientific American . 279 (6): 26–27 . Bibcode : 1998SciAm.279f..26M . doi : 10.1038/scientificamerican1298-26b .
• Brit, RR (2004年10月18日). 「重力の問題：新たなミッションが奇妙な謎を解明する」Space.com .
• ジョンソン、J.（2005年1月2日）「宇宙に新たな扉を開く」シアトル・タイムズ。2012年1月12日閲覧。
• ヘレマンス、 A .（2005年10月）「侮れない力」サイエンティフィック・アメリカン293（4）：24-25。Bibcode：2005SciAm.293d..24H。doi：10.1038/scientificamerican1005-24。PMID 16196245。 
• McKee, M. (2006年1月25日). 「重力理論は暗黒物質を不要にする」 . New Scientist .– STVG（スカラー・テンソル・ベクトル重力）理論は、パイオニア異常を予測すると主張している。
• アンダーソン、J.（2009年1月28日）「2009年3月：重力について私たちが知らないことがあるのだろうか？」天文学雑誌37 （ 3）：22-27。
• ウォルチョーバー、N.（2010年12月15日）「30年来の宇宙の謎、パイオニア異常がついに解明されるかもしれない」。ポピュラーサイエンス。2010年12月19日のオリジナルからアーカイブ。
• Robbins, S. (2014年5月). 「疑似天文学の暴露、エピソード110：疑似科学によって「解決」された太陽系の謎、パート2 – パイオニア異常」。疑似天文学の暴露ポッドキャスト。

• arXiv.orgに掲載されたパイオニア異常に関する論文数を年別に表示します。
• 「TPSにより、謎のパイオニア異常の研究が可能に」 SpaceDaily.com 2006年6月9日
• 「アインシュタインJr.を指名手配」『エコノミスト』 2008年3月号。