この現象は 1998年から報告 1) され、その解析に JPL は、いまだに力を割いている。パイオニア10号は木星の側を過ぎて、 11 号は木星と土星に接近し、海王星の側を過ぎて太陽系外に出ていった。太陽系外に初めて達した物体の正確な位置測定の分析から、 ある距離を超えて太陽光圧の加速が 4 x 10^-8 cm/s^2 程度になって現象が明確になった。10号の後半のデータと、11号のデータから 太陽方向への一定の加速度が検出された。独立の異なる 3 つの解析プログラムがほぼ同じ結果を出している。

原因として、通常の推進剤ガスの洩れ、アイソトープ Pu 電力源の熱の洩れの非等方性 2) 等、太陽系のカイパー帯の塵の密度 による抵抗などが検討され、除外されてきた 3)。さらに、太陽からある程度の距離 (20-70AU) 離れてから場所に依らない、 ほぼ一定の加速度であることから、全く新しい物理現象の発見かもしれないと思われている。

距離の 2 乗に反比例でない新しい物理的な機構による重力的な原因によるか 6)、 定常的な青方偏移であるから、宇宙の赤方偏移を引き起こす原因となる時間経過の加速が原因かもしれないとされる 7) 8)。 時間加速を正確に理論付けることができるか、また独立に再確認されることが必要である。

全体のデータが再検討されようとしている。加速度の方向が a)太陽方向、 b)地球方向、c)速度の逆の方向、d)回転軸の方向 であるかを現在分離できない (これらは、現在ほぼ同じ方向になっているから) ので、これを分離できるよう 10 号 11 号 の前半のデータの検討がなされようとしている。a)であれば重力的、b)であれば時間的、c)であれば抵抗的、d)であれば系統的 誤差の可能性がある。それでも解消しないなら、このパイオニア異常の目的だけの探査機を打ち上げる計画が作られるという。4),5)

15)の Michael Martin Nieto and John D. Anderson, "Seeking a Solution of the Pioneer Anomaly", 0709.1917 の抄訳：

1. Pioneer ミッションとそれらの航行

Pioneer 10 は 1972 年 3/2 に打ち上げられ、木星に初めて達し太陽系を初めて離れた乗物となった。木星通過後に太陽系 脱出速度 (11.322km/s (2.388AU/yr)) に達した。Pioneer 11 は 1973 年 4/6 にそれを追い、木星に向かった。1974 年 12/2 に 11が木星に達したとき逆側の土星へ向かうのに木星の重力を助けにした。1979 年 9/1 に土星に達し、その輪の平面に進入した。 それを通過後に、再び災厄的結末なしに、Pioneer 11 は、太陽系脱出速度 10.450km/s(2.204 AU/yr) を得て脱出双曲線になった。 それは、Pioneer 10 とは概略、反対方向だった。Pionner の航行は JPL で行われ、その進歩は地を割るものだった。どの乗物 も太陽系をそれほど遠くに行ったことがない。

NASAの 深宇宙ネットワーク(DSN)が生の電波計測データの送信と獲得に使われた。地上からの S-band 電波(〜2.11GHz) が カルホルニア、スペイン、オーストラリアのいずれかの DSN を通して送られ、その分数 240/221 倍の周波数 (〜2.29GHz) で電波が返信される(もとの送信所が視線から隠れたときには、別の経路を遠回りして)。正確な送信の分数倍の信号との比較が行われ、 原子時計と比較して直接にサイクル計数してドップラー周波数シフトが測定される。これから時間関数としてのドップラーシフト記録 作られ、これから軌道が計算される。

しかし、時間関数としての宇宙船の速度をドップラーシフトから計算することは容易でない。コードは、太陽、惑星たちとそれらの 大きな衛星達の、重力と一般相対論の時間効果とを含めなければならない。受信所の位置と環境、大気、太陽プラズマの効果が含められる。

以上の道具によって正確な航行が可能である。なぜなら Pioneer はスピン安定化されているからである。船は 慣性モーメントの主軸の周りに 4-7 rpm で回転する。そのため、船はジャイロスコープとなって、地球または船の動きによって、 アンテナの視線から地球が動くときにだけ、方向の調整が必要である。とくに後年ではアンテナが地球を指すことを保持するように、 毎年、わずかな回数の方向調整が必要なだけで、これらは容易にモデル化できるものである。

そうであるが、モデル化されなくてはならない程度のひとつの比較的大きな効果が残り、それは太陽の放射圧であった。それは、 土星の距離(遭遇時、太陽から 9.38 AU)で Pionner の船体に〜 20 x 10^-8 cm/s^2 の加速を生む。そのため、 木星のこのレベルを下回るどの船体への"未モデル化力" もよく見えなかった。しかし、木星を越えて可能になった。

2. 異常が観測される

1969 年に我々のひとり(JDA) が Pioneer の天体力学機器の PI となった。Pioneer のドップラーデータが Pioneer 11 は 1976 年に 遡って、Pioneer 10 は 1981 年に (しかし、木星通過を含めて) 国家宇宙科学データセンター(NSSDC)にアーカイブされ、後に極端に 役立つことが証明されたものである。航行チームとともに作業して、天体力学の仕事の一部は、宇宙船の非常に正確な軌道のモデル化 であり、もしまだモデル化されていない効果があればそれを決定することであった。

1976 年のあと、データの小さな時間サンプルが (約 6 ヶ月から 1 年平均)が周期的に分析された。これらのデータ点は、いくらかの 非常に優秀な研究者によって個々に得られたものである。最初、なにも重大なことは発見されなかった。しかし、分析が Pioneer 11 の土星通過辺りになって、ことは劇的に変化した。(図 1 の最初の 3 データ点をみよ。)それで、人々は Pioneer 11 を追うように なった。彼らは Pioneer 10 からやってくるものも、より精細にみるようになった。

1987 年までに、ほぼ太陽に向かう、効果は小さいので航行の必要な精度には影響しないが、異常な加速が 〜8 x 10^-8 cm/s^2 が 働いていることが明らかになった。1992 年までには、より精細な観察が役立つことが明らかになった。

1994 年に MMN は Anderson に会い、太陽系を遠く越えた重力をどうよく理解できるかを尋ねた。JDA は答えた。"最大の(Pioneerの) 加速の残差は、太陽方向の 8 x 10^-13 km/s^2 のバイアスだ" と。結果は、1994 年の Proceeding に公開された。(さらに情報と多くの 参照は、M. M. Nieto and J. D. Anderson, Contemp. Phys. 48, No. 1. 41-54 (2007). に見い出される)

強い反発は、異常がJPLのODPプログラムによるかもしれないというものであり、独立したコードがそれをテストしなければならなかった。 Anderson は、二人の以前の Pioneer の同僚、The Aerospace Corporation の Phil Laing と Tony Liu を含むようにチームを一体化した。 Laing と Liu とは、Pioneer データをみるために独立した CHASMP 航行コードを使った。小さな不確実さを含めて彼らの結果は、JPL の ODP によって得られたものと同じだった。

これが 1998 年の Pioneer anomaly の共同発見の論文になった。そこから、詳しい分析が始まり、 Pioneer 10 データの 1987 1/3 〜 1998 7/22 (船は太陽から 40AU 〜70.5 AU)と、Pioneer 11 の 1987 1/5 〜 1990 10/1 ( Pioneer 11 は太陽から 22.4 〜 31.7 AU) であり、これらのデータの期間に、CPT01 会議に我々のレポートが発表された (16)。

最大のバイアスとエラーは(すべて単位は 10^-8 cm/s^2)、電波ビームの反作用力であり、(1.10 +- 0.11) RTG (Radioiostope Thermoelectric Generators 放射性同位元素熱発電) の熱は船を遠ざける (-0.55+-0.55)、RTGs の放射の差分(+-0.85)、 船体の非等方的放射冷却(+-0.48)、ガス洩れ (+-0.56)であり、注意すべきは、電波ビームの反作用力、それは主にバイアスで あるが、とガスの洩れ、以外の主な系統的なものは、すべて熱による。

実験的な残差を加えたとき、これが最終的な結果をもたらし、結果的にモデル化できない加速は、近似的に太陽方向に、

8.74+-1.33 x 10^-8 cm/s^2

である。それを我々は 2002 年に報告した。そこで、結論は、この "Pioneer anomaly" はデータの中にあることである。 問題は、"何が原因か" である(a)。

3. 提案された異常の原因

現場の系統誤差：この異常を熱の放射が加速の原因に違いないとみなす誘惑は強い。というのは、たった 63W の方向づけられた電力が 効果をだすからである(そして、それよりずっと大きな熱が使用可能である。)

この乗物の熱は究極的に放射性同位元素の熱電気発生(Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs))から来ていて、それは 238Pu の 放射性崩壊からの熱をもたらす。出発前に 4 つの RTGs は、全体で 2580W (2002 年には、2070W)の熱燃料を発生した。この熱のうち 出発時に 165W が電気に変換されメインバス周辺から抜き取られ (65W 2002) 、ほとんどはバスの底の被いからである。そのため異常加速が 宇宙船の高ゲインアンテナの背面の非等方的熱反射であるか、または(開放または閉じられた)被いからの熱抜け、またはそれら両者の源 の組合せが考慮されなければならないか、どうかという議論があった。しかし、事実、船体は非常に前後対称に熱を放射するようできていて、 さらに、電源からの熱は、現在 1/3 に減少しているのである。これら全ての点を心に止めると、誰も前のようにこれをそれに繋げるように いうことができない。強い反論はあるが(6)。それゆえ、熱は明らかに解かれるべきメカニズムとして残り、研究は実行中である(4章をみよ)。

他の物理：通常物質の塵からの引き戻しは、 Kuiper 帯からの重力とともに、除外された。また、これが重力の修正ならそれは汎用的宇宙的 でない、つまり、軌道上の惑星に影響するようなスケール独立の力でないのである(5)。異常は原理的に、i)重力の何かの修正、ii) ダーク マターからの引き戻しか慣性の修正であるか、または iii) 光の加速である。(信号はドップラーシフトであり、それを加速とだけ解釈された ことを思い出せ。) 将来のその異常の理解が、これら提案のなかで、もしあれば、どれが価値あるか決めるだろう。 もし、起源が熱であるとか、船が発生した力であれば、加速は、iv) 回転軸に沿っている。(どの回転軸に平行な系統的な内部力も回転によって キャンセルされている。)

4. 進展への可能性

全体データ集合の研究：主要な分析は、1987 〜 1998.5 のデータが用いられた。しかしながら、長いデータ期間は、その異常が真に一定か、 時間に依存するものがあるかを見分けることを助けるだろう。さらに、異常の正確な方向を決定するだけの精度ある 3 次元追跡を可能にする かもしれない。多分、最も興味をそそるのは、惑星の側の通過辺りのデータの詳しい研究によって、これらの遭遇の近くでの異常の開始 があるかどうか決めることができるかもしれないことである。

すべてのドップラーデータ、出発から最後の接触まで、が精確に分析されることができ、すべての外部から船への系統誤差が分離されるなら、 上記の仕事は、調停されるかもしれない。データ自身は、廃れたプラットフォーム上の廃れたフォーマットを使って記録されている。さらに、 それは、一ヶ所にない、NSSDCは、かなり大きい部署であるにも関わらず。アーカイブされたドップラーデータのもつれを解き、解釈するのは 実行中であって、かつ重要なプロジェクトである。さらに、機関についてのテレメトリ(遠隔計測)データがある。温度、電圧、回転率、などの。 このデータは、いま、現代のフォーマットに変換された。

テレメトリの研究の長い継続のなかで、それが "役立つ" ことの証明はなされた。その共同研究は長く、それが系統誤差のせいであることが判明 したとしても異常の研究全体は、まだ結果的に成功したのであると見られてきた。深宇宙のなかで、宇宙船がどのように振る舞うか、それゆえ、 どのようにモデルを作ればよいか、そしてそこで船を追跡すること、について、よりよい理解を得ることができたのであろう。

究極的に、物事はドップラーデータの分析によって決められる。もし、それが時間に対する異常の大きさとともに、幸運があれば、その方向を 示すことができるなら。後者は、太陽系内部深くの大きな系統誤差によって見分けることが難しい。しかし、結果は非常な価値あり得るのである。

冥王星へのミッション "新しい地平"：

冥王星と Kuiper帯への"New Horizons (新しい地平)"がケープカナベラルから 2006 1/19 に出発した。この船は小型(〜478kg)で、 正確な追跡のための設計でないが、役立つ情報をもたらすかもしれない。

その理由は、New Horizons がその稼働期間の大半、スピンによる安定モードにあることによる。例えば、2007 年 6 月のあと、 (木星遭遇は、2007 年 2/28 だった。) 2015 年 7 月14 の冥王星遭遇直前までの期間、燃料を節約して冥王星遭遇後の Kuiper 帯 物体の場所での目的にできるだけ燃料を使えるようにする。この期間のドップラーと範囲のデータは、いくらかのレベルで Pioneer 異常の 試験に供給されるかもしれない。幸運があれば、2010 年またはそのすぐあとまでの New Horizons から何か学べる。

要するに、我々はこのミッションが異常研究に使えるかを見守っている。冥王星ミッションのデータ分析は、挑戦的であろうし、 我々の目的に助けにならないかも知れないが、我々はそれに期待しているのである。

専用のミッション ?

もし上の活動が異常について "否定するだけ" の分解能力がないなら、新しい実験的テストが必要になるかもしれない。付属の機器 またはプローブか、専用のミッションさえもである。ヨーロッパでひとつの共同研究が持ちあがっっている。その目的は、2015-2025 の期間に打ち上げられる ESA の Cosmic Vision "宇宙的視野" プログラムへ向けた提案を作ることである。ふたつの上記の研究所が この異常の専用の試験の呼出しを指し示すなら、そのタイミングは完璧である。

2 段階の提案を提出することを決めている。第 1 段階は、フランスの ONERA で開発された、現代的な 3 軸の引き連れのない加速計 を使うことである。ミッションは、フライバイを使った重力援用の緩やかな航行で、〜10 AU を越えるものである。ミッションは、 その主要な動力を太陽電池から得るだろう。そのようにこのミッションは、安く、素早く飛ばされるだろう。しかし、それは動力に 限界をもつだろうし、太陽電池部品から大きな太陽放射の圧力の効果を伴うから、それらは太陽から遠く離れる必要があるのである。 後のミッションは、遠距離の精確な加速を測定するための現代的な量子技術の機器を装備するだろう。もし、専用のミッションが 呼び起こされるなら、とても興奮する決定的なものになり得るだろう。

5. 結論

パイオニアの異常が新しい物理によるということは、それはありそうにないことであるが、しかし、それも除外されていない。 その異常がなにか重要な新しいことであり得ることは、可能である。そのため、そしてまた、我々が航行中のすべての系統誤差の 原因を知ることを望むために、我々は、この研究を追求するのである。この異常は、最終的に解かれるだろう。

この草稿に記述された仕事は、US Department of Energy, (MMN) と National Aeronautics and Space Administration (JDA) によってサポートされた。

(抄訳終了)

一定加速が定数なら、光速が宇宙年齢に比例する宇宙を我々はもつ。そして、そこでは光の経路は時間の 2 次関数である。 ここまで明白であればすぐに "この宇宙であることが観測によって証明された" という者が出るだろう。 そして、"光速の大きいことが説明できる。それは宇宙年齢によってできたものであるから。" というディラックの大数法則の変種がその装飾になるだろう。しかしこれは、何の根拠も、何の正しい論理も脈絡もない思い付きである。

この太陽系を出ただけの位置での余分な加速を、宇宙全体の性質として観測者方向への加速であるとするという解釈は、測定がさらに 遠方で距離によらない同じ値をもつ必要がある。遠方の銀河は、過去の加速の積算の影響で青方偏移を見せているのだろうか。 現実は、符号が反対である。

また、これは本当に距離によらない加速だろうか、距離によらない加速は、原理的にかなり難しい。まずこれは一様な減速膨張の測定 ではない。膨張速度が距離に比例するなら、減速膨張の減速も距離に比例するのである。空間的に一様な加速は、一様な速度と同じく、 一様性の宇宙原理に反するのである。また時間の減速という解釈も同様である。パイオニアから地球までの電波が通過している時間に 地球の時計の時間経過が緩くなるのなら、遠方ほど電波の通過時間がかかり、距離に比例する加速となり、距離によらない加速ではない。

一定の距離を過ぎてからの一定の加速という性質から、重力ポテンシャルに比例するなにかの問題と思う。重力ポテンシャルは、 太陽系を出た遠方で一定の青方偏移となって表れるからである。

2)J.L.Katz,"Comment on "Indication, from Pioneer 10/11, Galileo and Ulysses Data, of an Apparent Anomalous, Weak, Long-Range Accelation" http://arxiv.org/abs/gr-qc/9809070

3) Slava G.Turyshev, Jhone D. Anderson, Phillp A. Laing, Eunice L. Lau, Anthony S. Liu and Michael Martin Nieto, "The Apparent Anomalous, Weak, Long-Range Acceleration of Pioneer 10/11" http://arxiv.org/abs/gr-qc/9903024

4) Slava G.Turyshev, Michael Martin Nieto, and Jhone D. Anderson, "A Route to Understanding of the Pioneer Anomaly" http://arxiv.org/abs/gr-qc/0503021

5) Slava G.Turyshev, Michael Martin Nieto, and Jhone D. Anderson, "The Pioneer Anomaly and Its Implications" http://arxiv.org/abs/gr-qc/0510081

6)J.R.Brounstein and J.W. Moffat, "Gravitational solution to the Pioneer 10/11 anomaly" http://arxiv.org/abs/gr-qc/0511026

7)Roger Ellman, "A Common Solution: Dark Matter, Dark Energy and the Pioneer Anomaly" http://arxiv.org/abs/physics/9808051

8)Vladimir I. Garaimov, "Time and entropy" http://arxiv.org/abs/astro-ph/0107420

9) Lorenzo Iorio, "What do the orbital motions of the outer planets of the Solar System tell us about the Pioneer anomaly?" http://arxiv.org/abs/gr-qc/0601055

10) Steven M Taylor, "Hypothesis of Mundane Solution to the Pioneer Anomaly" http://arxiv.org/abs/physics/0603074

11) Marcelo Samuel Berman, "The Pioneer Anomaly and a Machian Universe" http://arxiv.org/abs/physics/0606117

12) Lorenzo Iorio, "A comment on the new non-conventional gravitational mechanism proposed by Jaekel and Reynaud to accommodate the Pioneer anomaly" http://arxiv.org/abs/gr-qc/0611081

13) Lorenzo Iorio, "Can the Pioneer anomaly be of gravitational origin? A phenomenological answer" http://arxiv.org/abs/gr-qc/0610050

14) Mei Xiaochun, "Absolute Space-time Theory with Variable Space-time and Gravitational Theory Established in Flat Space-time" http://arxiv.org/abs/physics/0606155

15) Michael Martin Nieto and John D. Anderson, "Seeking a Solution of the Pioneer Anomaly", 0709.1917

16) Michael Martin Nieto, John D. Anderson, Philip A. Laing, Eunice L. Lau, Slava G. Turyshev, "The Anomalous Trajectories of the Pionner Spacecraft", http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110373

17) J.C.Hodge,"Scalar potential model progress", 0704.0487