天文学、天体物理学、宇宙論の分野にとって、今はエキサイティングな時期である。最先端の天文台や観測機器、新しい技術のおかげで、科学者たちはまだほとんど検証されていない理論の実験的検証に近づいている。これらの理論は、重力やダークマター、ダークエネルギーの性質など、宇宙や宇宙を支配する物理法則について科学者が抱いている最も差し迫った疑問のいくつかに対応している。何十年もの間、科学者たちは、さらなる物理法則が存在するか、あるいは宇宙モデルの見直しが必要だと考えてきた。
ダークマターとダークエネルギーの存在と性質に関する調査は現在も続いているが、新しい物理学が存在する可能性があるとして、これらの謎を解明しようとする試みも行われている。最近の論文で、NASAの研究者チームは、探査機が太陽系内の新たな物理的存在の証拠を探索する方法を提案した。この探索は、探査機が四面体で飛行し、干渉計を使用することで支援されると彼らは主張している。このようなミッションは、半世紀以上にわたって科学者を逃がしてきた宇宙論的謎の解決に役立つかもしれない。
この提案は、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の物理学・天文学の非常勤教授であり、NASAジェット推進研究所の研究科学者であるSlava G. Turyshev氏の仕事である。彼は、NASA JPLの実験物理学者であるSheng-wey Chiow氏と、サウスカロライナ大学の非常勤教授でNASA JPLの上級研究員であるNan Yu氏と共に研究した。彼らの研究論文は最近オンラインに掲載され、『Physical Review D』誌に受理された。
Turyshev氏の経験には、GRAIL（Gravity Recovery And Interior Laboratory）ミッションの科学チームメンバーも含まれる。以前の研究で、Turyshev氏と彼の同僚は、太陽の太陽重力レンズ（SGL）へのミッションが天文学にどのような革命をもたらすかを調査した。このコンセプトペーパーは、2020年にNASAの革新的先端概念（NIAC）プログラムからフェーズIII助成金を授与された。また、以前の研究では、SETIの天文学者Claudio Maccone氏とともに、高度な文明がSGLを利用して太陽系から次の太陽系へ電力を伝送する方法についても考察している。
要約すると、重力レンズとは、重力場がその近傍の時空の曲率を変化させる現象である。この現象はもともと1916年にアインシュタインによって予言され、1919年にArthur Eddingtonが一般相対性理論（GR）を確認するために利用した。しかし、1960年代から1990年代にかけて、銀河の回転曲線や宇宙の膨張が観測されたことで、より大きな宇宙スケールでの重力の性質に関する新しい理論が生まれた。一方では、科学者たちは、観測結果をGRと調和させるために、ダークマターとダークエネルギーの存在を仮定した。
一方では、科学者たちは別の重力理論（修正ニュートン力学（Modified Newtonian Dynamics：MOND）、修正重力（Modified Gravity：MOG）など）を提唱した。一方、宇宙には我々がまだ気づいていない別の物理学が存在する可能性を示唆する者もいる。TuryshevはUnvierse Todayに電子メールで以下の様に語っている：
「私たちは、ダークエネルギーとダークマターの謎にまつわる問題を探求したいと考えています。前世紀に発見されたにもかかわらず、その根本的な原因はいまだ解明されていない。これらの “異常”が新しい物理学、つまり地上の実験室や粒子加速器ではまだ観測されていない現象に由来するものであれば、この新しい力が太陽系規模で現れる可能性があります」。
最新の研究では、Turyshev氏らは、四面体で飛行する一連の探査機がどのように太陽の重力場を調査できるかを調べた。Turyshev氏によれば、これらの調査は、太陽系スケールでの一般相対性理論の予測からのずれを探索するものであり、これまで不可能であったことだという：
「これらのずれは、重力勾配テンソル（GGT）の非ゼロ要素として現れると仮定されています。その微小な性質のために、これらの偏差を検出するには、現在の能力をはるかに超える精度が要求される。このような高精度レベルでは、よく知られた多くの効果によって大きなノイズが発生します。この戦略では、既知の力の影響を否定するために微分測定を実施し、それによってGGTへの微妙な、しかしゼロではない寄与を明らかにします」。
トゥリシェフによれば、このミッションでは、一連の干渉計に依存する局所的な測定技術が採用される。これには干渉計レーザー測距が含まれる。この技術は、GRACE-FO（Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On）ミッションで実証されたもので、地球の海、氷河、河川、地表水をレーザー測距によって追跡する探査機ペアである。同じ技術は、宇宙ベースのレーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）によって重力波を調査するためにも使用される予定である。
探査機には原子干渉計も搭載され、原子の波動特性を利用して、異なる経路に沿った原子物質波の位相の違いを測定する。この技術により、宇宙船は重力以外のノイズ（スラスター活動、太陽放射圧、熱反跳力など）の存在を検出し、必要な程度までそれらを打ち消すことができる。一方、四面体のフォーメーションで飛行することで、探査機の測定値を比較する能力を最適化することができる。
「レーザー測距は、宇宙船間の距離と相対速度に関する非常に正確なデータを提供してくれます。さらに、その卓越した精度によって、慣性参照枠に対する四面体形成の回転を（サニャック観測値によって）測定することができる。その結果、一連の局所的な計測を活用して四面体形成を確立することができます」。
最終的に、このミッションは、これまでほとんど欠けていた、最小のスケールでのGRをテストすることになる。科学者たちは、重力場が時空に及ぼす影響を探り続けているが、それは主に銀河や銀河団をレンズとして使うことに限られている。他の例としては、白色矮星のようなコンパクトな天体や、天の川銀河の中心にあるいて座A*のような超大質量ブラックホール（SMBH）の観測がある。
「我々は、GRと代替重力理論の検証精度を5桁以上向上させることを目指しています。この第一の目的以外にも、我々のミッションには科学的な目標があります。これには、GRや他の重力理論の検証、マイクロヘルツ領域の重力波の検出（既存の、あるいは想定されている観測装置では到達できないスペクトル）、仮説上の惑星9のような太陽系の側面の探査などが含まれます」。
論文
- Physical Review D: Searching for new physics in the Solar System with tetrahedral spacecraft formations
この記事は、MATT WILLIAMS氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。
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