フライバイ異常
宇宙船の地球フライバイ中に観測された説明のつかない過剰なエネルギー
物理学における未解決問題
宇宙船のフライバイにおける加速度の予期せぬ変化の原因は何ですか?
物理学におけるさらなる未解決問題

フライバイ異常とは、宇宙船が惑星（通常は地球）をフライバイする際に観測される速度増加（すなわち運動エネルギーの増加）と、現在の科学モデルとの間の乖離を指します。複数の事例において、宇宙船が科学者の予測よりも大きな速度増加を示したことが観測されていますが、これまでのところ納得のいく説明は見つかっていません。この異常は、SバンドおよびXバンドのドップラーおよび測距テレメトリの変動として観測されています。フライバイ中に観測される最大の乖離はわずか13.46 mm/sです。[1]

観察

重力アシストは太陽系探査において貴重な技術です。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、惑星に接近中の宇宙船の位置と速度は、例えば深宇宙ネットワーク（DSN）などの地球テレメトリによって非常に正確に継続的に追跡されます。

NEARの地球フライバイ中の範囲残差
フライバイ中、メッセンジャーはいかなる異常も観測しなかった。

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、DSNドップラーデータの綿密な調査中に初めて発見されました。ドップラー残差（観測データと計算データを差し引いた値）は平坦であると予想されていましたが、解析の結果、予想外の66mHzのシフトが明らかになりました 。これは近地点における速度増加が3.92mm/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）、テキサス大学によるこの影響に関する調査では、納得のいく説明は得られていません。

1992年12月のガリレオ探査機による2回目の地球フライバイでは、このような異常は検出されませんでした。フライバイでは、測定された速度低下は、高度303kmの低高度における大気抵抗から予想される値と一致していました。しかし、抵抗の推定値には大きな誤差があったため、異常な加速の可能性を排除することはできませんでした。[2]

1998年1月23日、地球接近小惑星ランデブー（NEAR）探査機は地球に接近した後、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。

水星探査機メッセンジャーの解析では、予期せぬ顕著な速度増加は確認されませんでした。これは、メッセンジャーが地球に接近し、赤道に対して対称的に地球を離れたためと考えられます（下記のデータと提案式を参照）。このことから、この異常は地球の自転に関連している可能性が示唆されます。

2009年11月、ESAのロゼッタ宇宙船は、異常に関するさらなるデータを集めるために、フライバイ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詳細に解析した結果、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りました。当初、この異常はガス放出によるものと推測されていましたが、実際にはガス放出は検出されていませんでした。[6]

いくつかの地球フライバイ宇宙船の概要は以下の表に示す。[3] [7]

クラフト
データ
 ガリレオ1世 ガリレオ2世 近く カッシーニ ロゼッタ-I メッセンジャー ロゼッタ-II ロゼッタIII ジュノ はやぶさ2 オシリス・レックス[8] ベピコロンボ[9]
日付 1990年12月8日 1992年12月8日 1998年1月23日 1999年8月18日 2005年3月4日 2005年8月2日 2007年11月13日 2009年11月13日 2013年10月9日 2015年12月3日 2017年9月22日 2020年4月10日
無限遠速度、km/s 8.949 8.877 6.851 16.01 3.863 4.056 4.7
近地点速度、km/s 13.738 8.877 12.739 19.03 10.517 10.389 12.49 13.34 14.93 10.3 8.5
衝撃パラメータ、km 11261 12850 8973 22680.49 22319 19064
最低高度、km 956 303 532 1172 1954 2336 5322 2483 561 [10] 3090 [11] 17237 12677
宇宙船の質量、kg 2497.1 2223.0 730.40 4612.1 2895.2 1085.6 2895 2895 約2720年 590 4000
赤道に対する軌道傾斜角、度 142.9 138.9 108.0 25.4 144.9 133.1
偏向角、度 47.46 51.1 66.92 19.66 99.396 94.7 80
無限大での速度増分、mm/s 3.92 ± 0.08 −4.60 ± 1.00 13.46 ± 0.13 −2 ± 1 1.82 ± 0.05 0.02 ± 0.01 〜0 〜0 0 ± 0.8 [5] ? ? ?
近地点における速度増分、mm/s 2.560 ± 0.050 −9.200 ± 0.600 7.210 ± 0.0700 −1.700 ± 0.9000 0.670 ± 0.0200 0.008 ± 0.004 〜0.000 ± 0.000 −0.004 ± 0.044 ? ? ?
得られたエネルギー、J/kg 35.1 ± 0.7 92.2 ± 0.9 7.03 ± 0.19 ? ? ?

アンダーソンの経験的関係

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ました。[12]

d V V ＝ 2 ω E R E （ コス ⁡ φ 私 − コス ⁡ φ o ） c 、 {\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論から導かれ、この効果の考えられる説明の一つとなった。[13]ただし、これはSSN残差を考慮していない（以下の「考えられる説明」を参照）。

考えられる説明

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推定された結果。[14]測定された矛盾した異常値（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-キュレの仮説によると、[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 ′と光速度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説明のつか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またはエネルギーの変化の推定が不正確になります。
  • 考慮されていない横方向ドップラー効果、すなわち、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ません。
  • 地球の周りの暗黒物質ハロー。[16]
  • 一般相対性理論の影響は、弱い磁場と線形化された形でフレームドラッグのような重力磁気現象を生み出し、同様に調査されてきたが、[17]フライバイ異常を説明できないことが判明した。
  • NEARフライバイにおける米国宇宙監視ネットワーク（DSN）の測距データによって、テレメトリ信号の距離比例超過遅延が明らかになった。 [18]この遅延は、ドップラーデータと測距データの両方の異常、そしてドップラー後続振動を10～20%以内で説明するものであり、ドップラー率による受信時のチャープモードを示唆している。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が発生し、継続的に追跡された場合はゼロまたは負の異常が発生すると予測される。DSN以外の局によるドップラー追跡では異常は発生しないはずである。[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、惑星の自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誤差が検討されました。その結果、フライバイの正確な予測には、少なくとも50×50係数の高精度重力場が必要であることがわかりました。より低精度の重力場（例えば、打ち上げ解析には十分な10×10係数のモデル）を使用した場合、4.5mm/sの速度誤差が生じることになります。[5]

提案された測定

非常に高精度な位置測定を可能にする全地球航法衛星システム（GPS）を用いた衛星ミッションは、原理的には、この異常現象の解明に何らかの手がかりを与える可能性がある。提案されているミッションの一つであるSTE-QUEST（時空探査と量子等価原理宇宙実験）も、有利な高度に楕円化した軌道を採用しており、フライバイによる異常現象と統計的な飛行経路測定誤差を区別できるはずだ。[21]しかし、このミッションは2014年の打ち上げには選定されなかった。[22]

参照

参考文献

  1. ^ 「ESAのロゼッタ宇宙船は宇宙の謎を解明するのに役立つかもしれない」欧州宇宙機関（ESA）2009年11月12日。 2024年8月11日閲覧。
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  3. ^ ab 「謎は残る：ロゼッタ、スイングバイ異常を観測できず」ESA。2009年12月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。
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文学

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