未知的引力

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空间探测器的飞掠以及月球的轨道并没有严格地符合理论预言。难道是还存在着一种未知的引力?
John D. Anderson 文 Shea 编译

空间探测器的飞掠以及月球的轨道并没有严格地符合理论预言。难道是还存在着一种未知的引力?

1687年,牛顿(1642-1727)出版了他的《自然哲学的数学原理》,在这本书中他详细地讲述了他的引力理论。在之后的几个世纪里,牛顿的引力和观测结果符合得很好,但是也有个别例外。在大约230年后的1916年,爱因斯坦(1879-1955)发表了他的广义相对论。他的理论回答了长期以来关于引力是如何作用的疑问。但是现在看来广义相对论似乎并没有回答所有的问题。因为在过去了几十年里,观测和实验又发现了一些新的有趣的引力现象。为了解决观测到的这些“异常”,也许需要再一次地修改引力理论。

已被解释的水星轨道

19世纪中,勒威耶注意到了水星位置和理论预报之间的偏差。以太阳和一颗行星为例,按照牛顿引力的预言,行星会在一条椭圆形的轨道上绕太阳运动。然而,当天文学家把其他行星的引力作用也考虑进去的时候,这就不再成立了。不过你也可以假设行星依旧沿着椭圆轨道运动,只不过这条椭圆轨道本身会由于其他行星的影响而开始转动。

水星的这种“轨道转动”则体现在了它近日点(水星轨道上最靠近太阳的那一点)的进动上。牛顿的理论预言,水星的轨道应该每世纪进动531个角秒,或者大约每过244,000年水星的近日点就会回到相同的位置。但勒威耶却无法调和望远镜观测到的水星位置和牛顿理论预言之间的差异。水星椭圆轨道转得太快了。1882年,美国天文学家纽康(1835-1909)细化了勒威耶的计算,并且证实了水星轨道确实转得过快,每世纪多了43个角秒,或者比牛顿引力的预言快了8%。

直到爱因斯坦发表他的广义相对论,科学家们一直没有找到对水星“异常”进动的合理解释。但即便是爱因斯坦他本人在发展广义相对论的时候也没有意识到水星的轨道运动所存在的问题。

大约一个世纪后的今天,我们也许就像那个时候一样正处于另一次飞越的边缘。

月球的神秘运动

天文学家在1687年牛顿公布了他的引力定律之后便了解了月球围绕地球的运动。如果需要以非常高的精度来描述月球运动的话,科学们则还会使用广义相对论。毕竟这是目前最好的引力理论。不过这里面似乎还少了些什么。

20世纪70年代美国的宇航员和苏联的探月着陆器分别把激光反射镜送上了月球表面。天文学家们使用这些反射镜来跟踪月球的位置,其精度可以达到大约1厘米,或者千亿分之二的量级。

在分析了38年的由激光测月得到的高精度地月距离数据以后,美国喷气推进实验室的詹姆斯・威廉姆斯(James Williams)发现,月球围绕地球的轨道正在越来越偏离圆形。2006年威廉姆斯报告说,月球近地点和远地点之间的距离差正在以意料之外的每年6毫米的速度增长。不过有些人认为并不需要担心。因为在地球和月球内部的潮汐力也会作用于月球的轨道。

在考虑了潮汐阻尼的作用之后,威廉姆斯还是发现了月球轨道中剩下的无法解释的变化。他预计潮汐阻尼造成了月球轨道偏心率的变化,但是这个变化快了大约3倍。对此目前还没有一个清楚的解释。

天文单位的增长

2004年美国宇航局喷气推进实验室的迈尔斯・斯坦迪什(E. Myles Standish)发现,太阳系的距离尺度――天文单位(AU)――似乎在变大,因此这也等效为太阳的引力在变大。

天文单位――太阳和地球间的平均距离――被认为是一个天文常数。科学家使用雷达测距技术来测量地球和行星之间的距离,进而得出天文单位的数值。天文学家测得的天文单位已经具有了11位有效数字,使得它成为了被测量得最精准的天文常数。

使用激光我们可以确定月球到地球的距离,但是由于行星距离我们太远了,因此要使用雷达。激光测月的精度已经达到了大约1厘米的水平,而雷达测距的精度则大约为1-10米。在火星上有三个和飞机上所使用的非常相似的无线电应答器。这些应答器分别装载在“海盗”1号着陆器(1976年7月20日-1982年11月13日)、“海盗”2号着陆器(1976年9月3日-1980年4月11日)以及“火星探路者”探测器(1997年7月4日-1997年10月7日)上。

位于美国加州、澳大利亚和西班牙的美国宇航局深空探测网可以测量着陆器和地球之间的距离。但是应答器和月亮上激光反射镜不同,它并不是被动型的装置,需要探测器供给能源。

1976年-1997年积累下来的火星着陆器数据为探测行星轨道运动提供了宝贵的资料。

俄罗斯圣彼得堡应用天文研究所的乔治・科兰辛基(Georgij Krasinky)和维克多・布隆伯格(Victor Brumberg)使用这些数据以及由同一研究所的艾莲娜・佩特耶娃(Elena Pitjeva)提供的其他位置数据来分析了大约204,000个观测数据。2004年科兰辛基和布隆伯格发现,天文单位正在以每世纪15米的速度增长。

2005年佩特耶娃公布了对从1913年到2003年间317,000次观测更为详细的分析结果。她的分析是在广义相对论框架下进行的,这也是对广义相对论在引力系统中最好的检验之一。

佩特耶娃的这一结果将太阳系的距离尺度――天文单位――确定到了1米的精度。在这一精度下,1967年到2003年的位置资料显示天文单位正在随着时间变大。

佩特耶娃和斯坦迪什的最新测量显示天文单位正在以每世纪7米的速度增长。但是天文单位应该是保持不变的!

“先驱者”号异常

奇怪的引力现象并不仅仅局限在太阳系的自然天体上。正在从两个相反方向离开太阳系的“先驱者”10号和11号也存在着异常,它们所在位置与理论预言的也对不上。

“先驱者”10号发射于1972年3月2日。1973年12月4日飞过木星,并借助木星的引力来飞出太阳系。现在“先驱者”10号已经越过了所有的大行星,距离太阳96个天文单位,并且正在以每年2.5个天文单位的速度向太阳系外进发。以目前的速度,它会在2百万年内到达毕宿五(金牛α)附近。

“先驱者”11号发射于1973年4月6日。当它在1974年12月2日飞临木星的时候,木星的引力把它推入了会和土星相会的轨道。1979年9月1日“先驱者”11号抵达土星,然后又借助土星的引力它最终踏上了远赴太阳系之外的征程。和“先驱者”10号相比,“先驱者”11号到太阳的距离要更近一些,距离太阳大约75个天文单位。同时它的速度也要稍慢一些,每年朝天鹰座方向前进2.4个天文单位。在大约4百万年之后它会从天鹰λ附近穿过。

深空探测网在它们飞得太远而无法通讯之前会一直跟踪这两个探测器。在20世纪90年代末,美国拉斯阿拉默斯国家实验室的迈克尔・马丁・尼托(Michael Martin Nieto)、美国喷气推进实验室的约翰・安德森(John Anderson)、斯拉瓦・托拉谢夫(Slava Turyshev)和尤尼斯・劳(Eunice Lau)以及美国航天公司的菲利普・莱恩(Philip Laing)和安东尼・刘(Anthony Liu)分析了“先驱者”10号为期11年和“先驱者”11号为期4年的深空探测网观测资料。

跟踪数据显示,1998年“先驱者”10号的位置比根据牛顿和爱因斯坦的引力理论预期的近了58,000千米。当该研究小组在1998年公布这一结果的时候,他们提出这一偏差可能是由于某种未知的作用在探测器上的力或者是观测数据中存在系统误差所造成的。但是10年过去了,至今还没有人能对此给出一个令人满意的解答。

“先驱者”11号的情况也差不多。从4年的跟踪数据来看,它的距离比预期的要近了大约6,000千米。这就好像有某种力作用在这个两个探测器上,使得它们在以恒定的速率减速。

不幸的是,同样正在飞离太阳系的“旅行者”号探测器无法用来检验这一观测到的“先驱者”号异常。原因就在于“旅行者”号探测器会不断地喷射气体来保持自身的平衡。而这一做法就使得它们无法被用来精确地探测太阳系中的引力。

检验这一异常的最佳机会是于2006年1月19日发射的冥王星探测器“新视野”号。它于2007年2月28日飞过了木星,目前它和“先驱者”号一样正通过自身的旋转来保持稳定,以等待2015年7月最终到达冥王星。然而,与“先驱者”号不同的是,“新视野”号不是被设计来精确跟踪它的轨道的。也许在2010年或者2011年通过“新视野”上有限的跟踪系统能告诉我们一些有关“先驱者”号异常的线索。

怪异的轨道

喷气推进实验室的科学家詹姆斯・坎贝尔(James K. Campbell)、约翰・埃克兰(John E. Ekeland)、乔丹・埃利斯(Jordan Ellis)、詹姆斯・乔丹(James F. Jordan)和约翰・安德森在2008年3月7日出版的《物理学评论快报》上撰文,发现6个借助地球引力助推的探测器轨道能量存在异常变化,而且这些异常的变化无法用牛顿引力定律来解释。

在1990年12月伽利略探测器飞掠地球时的深空探测网跟踪数据中第一次发现了这一异常。当时“伽利略”距离地球大约2百万千米,正以每秒8,891米的速度向地球靠近。在考虑了所有来自月亮、太阳和其他行星的已知引力效应之后,科学家们预计当“伽利略”离开地球到相当的距离的时候也应该具有相同的速度。然而,测量却发现它的运动速度比预想的要快。它超速了每秒4毫米,尽管这个值非常小,但是它实实在在的就在观测数据里。于是科学家们决定等待更多的探测器飞掠地球的事件,以便来确认它们是否也存在着类似的速度变化。

2年之后伽利略探测器再一次飞过地球,不过这一次它飞进了地球上层大气,因此无法用来测量微小的引力效应。

再下一次飞掠的是1998年1月的舒梅克近地小行星探测器,观测发现也存在着加速现象。它的加速效应大约是“伽利略”的3倍,达到了每秒13.5毫米。这一结果着实把科学家们给难住了。是什么为探测器注入了能量并且让它们加速的呢?科学家们还在2005年3月的罗塞塔探测器上观测到了类似的现象,这次它的反常速度为每秒2毫米。在《物理学评论快报》的文章发表之后,2007年11月13日罗塞塔探测器又一次飞掠地球进行另一次引力助推。这次飞掠的高度为5,295千米,没有发现任何反常效应。2009年11月13日罗塞塔探测器会最后一次飞掠地球,并借助地球的引力飞向最终的目标丘留莫夫-格拉西缅科彗星。

计划于2011年8月的发射的“朱诺”木星探测器会自2013年10月飞掠地球进行引力助推,这将是近期观测这一效应是否属实的绝佳机会。

引力之外的东西?

这些异常给我们带来了一些新东西。天文学家们正在尝试把不同的探测器速度变化联系起来。许多人相信“先驱者”号探测器自身的热辐射造成了测量结果和理论预言之间的偏差,而一些科学家发现“先驱者”号异常的70%可能是由热辐射所造成的。如果热辐射确实是异常的罪魁祸首的话,那么随着探测器上能源的枯竭,“先驱者”号减速的幅度应该持续减小。但是天文学家并没有观测到这一现象。在11年的时间里“先驱者”号的减速速率基本保持不变。

2006年德国不莱梅大学的克劳斯・莱曼蔡尔(Claus Laemmerzahl)和汉斯荣格・迪特斯(Hansjoerg Dittus)以及马普太阳系研究所的奥利佛・普洛斯(Oliver Preuss)研究并且排除了有关“先驱者”号以及地球飞掠异常的许多解释,这其中包括地球大气、海洋潮汐、地球固体潮、探测器带电、磁矩、地球反照率以及太阳风。它们的贡献都不足飞掠异常的10%,而且绝大多数效应所能产生的影响都要比观测到的小1,000倍以上。

新物理学?

尽管科学家们都相信这些太阳系的异常现象背后都有一定的解释,但是没人能给出一个清晰的源头。一种观点是,新的引力理论可以解释观测到的异常。也许天文学正在经历向一种新的物理学或者至少是一种新的引力理论的转变。

从20世纪70年代以来,天文学家就已经知道,星系外围物质的运动会破坏牛顿引力定律。按照原先的预期,星系外围沿椭圆轨道转动的恒星的速度会随着到星系中心距离的增加而减小。但是观测到的结果却并非如此。与逐渐减小不同,在星系中很大的范围内,不同距离上的天体绕星系中心转动的速度几乎都完全一样。

天文学家为此假设星系中还存在着大量看不见的物质,它们束缚住了星系中的恒星。由于这些额外的物质只参与引力作用而又无法被观测到,因此被称为“暗物质”。于是在暗物质的帮助下,观测结果又能和牛顿引力相符合了。

然而,以色列魏兹曼研究所的莫德海・米尔格隆姆(Mordehai Milgrom)在1983年第一个提出了另一种观点,使用修改的牛顿动力学(MOND)来解释观测到的星系运动。这算不上是一个新的理论,但是这一修改可以拟合观测数据。

MOND认为牛顿动力学在极低密度环境下将不再适用。正如它的名字,MOND通过修改牛顿动力学使得引力可以在低密度系统中变强。

MOND可以在不需要暗物质假设的情况下解释星系外围恒星的运动。米尔格隆姆提出,在星系的外围区域中牛顿运动定律而不是牛顿引力定律发生了改变。在靠近星系中心的地方以及太阳系内,原来的牛顿定律和爱因斯坦的广义相对论依然适用。

如果MOND确实是正确的,那么就需要一个新的引力理论来解释它。于是,换句话说就不再需要暗物质了。

如果最终我们发现了是什么造成了探测器预料之外的加速和异常以及月球轨道和太阳引力的变化,那么我们就会知道我们是否真的了解引力了。

[Astronomy 2009年03月]

 

内容来自 火流星

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