太陽を周回するリングを置いた方がSTEREOミッションの観測結果が納得できる。来年水星周回軌道に入るべピコロンボが証拠を上乗せする予定。以下、機械翻訳。
太陽にはダークディスクがあるか?
要約
太陽は完全な球体ではなく、その偏平率は自転によって生じたと考えられており、半径の光学観測によって測定されています。太陽の重力四重極モーメントは、太陽モデルまたは日震学によって推定でき、水星の軌道に対する重力の影響の測定からも決定できます。さまざまな評価は一致しておらず、最も完全で正確な軌道評価は他の決定よりもわずかに優れています。これは、非発光ディスクまたはリングの存在を示している可能性があります。また、太陽観測衛星 (STEREO) ミッションから、水星の軌道内に太陽周回ダストリングの証拠も確認されています。歴史的にも、原始惑星系円盤は、太陽の金属量とニュートリノ収量を調和させる鍵であった可能性があります。水星の軌道内の非発光質量の分布は、さまざまな方法で光学四重極モーメントと軌道四重極モーメントの相対的な大きさを変える可能性があります。私たちは、これらの発見を利用して太陽のすぐ近くにある暗いディスク、リング、またはハローを制限する方法を開発し、水星と太陽に近い小惑星の将来の軌道測定によってこれらの制約をどのように改善できるかについて説明します。
Iはじめに
1964年にディッケが初めて指摘したように、十分な大きさの太陽の扁平率の光学測定は、水星の近日点歳差運動に大きく寄与し、アインシュタインの一般相対性理論（GR）をテストする可能性があります[1] 1。その後の扁平率の測定
Δ⦿は、平均太陽半径に対する赤道半径と極半径の差として定義され、(5.0±0.7)×10^-5
となり、明らかに10%未満のレベルで一般相対性理論に挑戦しています[3]。その後の数十年間で、扁平率を評価する能力は着実かつ大幅な進歩を示し、宇宙ベースの研究も行われ、誤差が精緻化されました。さらに、磁場と相関する明るさの変化が扁平率の光学測定に与える影響が注目され、定量化されました[4]。これにより、意見の相違が解消され、以前の謎が緩和されました[3、5、6]。最終的には、測定と理論の改良により、太陽の重力四重極モーメントJ2
を、約2×10^-7というゼロでない値で決定することができます。また、水星の軌道の改良測定から得られたその値の精密な決定も、その近似値を支持し、決定された誤差は、後で詳しく説明するように、それよりも約100～1000倍小さいです。これらの新しいレベルの感度により、太陽周回質量など、かつては無視できた効果が顕著になる可能性があるという点で、新しい領域が開かれます。ここでは、太陽のすぐ近くにある非発光物質の質量と分布を制限するために、J2の視覚的評価と重力評価を比較します。
太陽系の歴史のさまざまな時代からのさまざまな証拠は、非発光ディスクの存在を示しています。例えば、測定された太陽ニュートリノフラックスのエネルギースペクトルは、太陽のCNOサイクルの強さを決定します[7, 8, 9]。この速度は、高金属量[10]の太陽モデルとは互換性がありますが、低金属量[11]の太陽モデルとは互換性がありません。同時に、[11]のように表面の分光法から決定された元素の存在量と、太陽震学[12, 13, 11]を通じて内部から推定された元素の存在量との間にも長年の不一致があります。この太陽モデリングの問題は、太陽内部の金属量が表面2の金属量と異なることができれば緩和できますが、これはおそらく、太陽系初期に巨大ガス惑星とともに光球が形成されたことによって生じます[15]。その後の研究では、太陽が太陽周回円盤内で形成された場合に金属量の勾配が現れる可能性があることが示されています[16, 17]。また、水星の軌道のおおよその位置に太陽周ダストリングがあるという証拠も見つかっています[18]。過剰質量密度は 5% と推定され、総質量は決定されていません 3。このようなダストリングの起源は不明であり、太陽系の歴史の後期の影響から生じた可能性もあります [20]。非発光の太陽周縁円盤には、非標準モデル、つまり暗黒物質の成分も含まれる可能性があります。非発光円盤内の通常の物質が太陽系の歴史のかなりの期間にわたって存在した場合、このようなエキゾチックな成分の捕捉が大幅に強化される可能性があります。
このセクションの最後に、論文の残りの部分を概説します。まず、観測された太陽の扁平率が可視四重極モーメント
J2＾Optにどのように関係するかを説明し、その後、測定された水星の近日点歳差運動とその他のデータを使用して、重力相互作用によって決定される四重極モーメントJ2^Orbをどのように決定できるかを説明します。ここでは、太陽震学を利用することで、異なる方法で
J2^Heliも発見できることを指摘します。次に、水星の軌道内に存在する可能性のある暗黒物質を含む非発光成分とその起源について説明します。
2Xにどのように関係するかを説明し、その後、測定された水星の近日点歳差運動とその他のデータを使用して、重力相互作用によって決定される四重極モーメント
J2^Orb
をどのように決定できるかを説明します。ここでは、太陽震学を利用することで、異なる方法で
J2^Heliも発見できることを指摘します。次に、水星の軌道内に存在する可能性のある暗黒物質を含む非発光成分とその起源について説明します。
図 1: 太陽の周りの暗黒物質/ダストリングまたはディスクの最大質量分率
𝜖r≡𝑀r/𝑀totの 95% CL (2𝜎) における限界。式 (30) の重力四重極モーメント
𝐽2
の重力および光学/太陽震動学による決定の差から導かれ、式 (31, 32) の
2𝜎における
𝛿I2 𝐽2の最大値が破線でプロットされている。横軸𝑅は、式 (27) で定義されている暗黒物質/ダストリングまたはディスクの幾何学的寸法によって決定される。破線は、月の秤動限界から推定される制約に対応しています
𝐽2^ext[107]。詳細については本文を参照してください。
図 2: 太陽を取り囲む球状の暗黒物質ハローの質量分率に対する 95% CL (2𝜎) の限界 (𝜖s≡𝑀s/𝑀totと表記) を、水星の軌道内を周回するダストリングの質量分率
𝜖r≡𝑀r/𝑀totに対してプロットしたもの。式 (4, V) の値を式 (38) に代入する。一般相対論制約の場合と制約なしの場合がそれぞれ緑と赤で示されている。詳細については本文を参照。
VIII要約
本論文では、太陽の重力四重極モーメント𝐽2
のさまざまな決定を検討し、太陽の形状の光学評価と、特に水星のメッセンジャー研究による軌道観測からの干渉を注意深く比較しました。観測パターンを広く考えると、式 (17) で示されるパターン
𝐽2^Orb>𝐽2^Opt、𝐽2^Heli (42)
に非常に有利であり、これは非発光ディスクの存在を示しています。特に、GR を仮定し、メッセンジャー データ [29] を使用した軌道結果、式 (4) を、宇宙ベースの観測所 [93] からの同時期の太陽震学結果、式 (V) と比較すると、式 (14) で示される違いがわかります。
𝐽2^Orb | 𝛽=1;𝜂=0 −𝐽2^Heli = 0.057±0.006 (43)
はゼロより大きく、有意性は5𝜎を超えています。また、代替の太陽震度誤差推定値と結果がこの結論にどのように影響するかを調査し、高い有意性を持つ肯定的な結果を支持するものを見つけました。その結果、発見された非発光ディスクの全質量と質量分布に関する制約を開発し、その最大質量の2𝜎
限界は、既存の最良の𝐽2
評価では、少なくとも10^-12 M⊙であると主張します。また、その考えられる構成要素についても慎重に検討した結果、失われた（非発光）質量は十分に大きいため、塵、あらゆる大きさの小惑星、隕石などの従来の質量源では説明できないことが判明しました。また、これらのさまざまな構成要素の総質量は十分に決定されていないと考えています。それでも、暗黒物質もその質量に寄与している可能性があると考えています。したがって、私たちの研究は、水星の軌道内に新たな「失われた質量」の問題があることを示唆しています。小惑星に典型的な質量の PBH などの巨視的な暗黒物質候補は、1 つの具体的な可能性です。また、自己相互作用を伴う特定の超軽量暗黒物質モデル [62] が、水星自体の周りに巨大な暗黒ハローを生成し、水星の軌道の経路に巨大なリングが出現する原因となる可能性についても検討しました。
2025 年に到着予定の水星探査機 Bepi-Columbo は、この論文で利用した以前の MESSENGER ミッションの結果を洗練させると予想しています。水星の軌道と磁気特性のさらなる精密測定により、私たちの発見を確認し洗練させる可能性が生まれます (あるいは、そうでないかもしれません)。特に、水星の軌道に対する短時間スケールの摂動の精密な評価は、[69] で議論されている PBH 候補のような、太陽系を通過する巨大な異質物体を制限します。私たちが特に検討した暗黒物質粒子はアクシオンではないようですが、磁場研究はわずかな電荷を持つ巨視的な暗黒物質物体の可能性を探ることができるため、それでも識別力がある可能性があります。ダストの追加研究も計画されています [115]。最終的には、これらの研究が将来の相対論的一般相対性理論のテストの精度に影響を与えることも期待しています [21]。
太陽にはダークディスクがあるか?
要約
太陽は完全な球体ではなく、その偏平率は自転によって生じたと考えられており、半径の光学観測によって測定されています。太陽の重力四重極モーメントは、太陽モデルまたは日震学によって推定でき、水星の軌道に対する重力の影響の測定からも決定できます。さまざまな評価は一致しておらず、最も完全で正確な軌道評価は他の決定よりもわずかに優れています。これは、非発光ディスクまたはリングの存在を示している可能性があります。また、太陽観測衛星 (STEREO) ミッションから、水星の軌道内に太陽周回ダストリングの証拠も確認されています。歴史的にも、原始惑星系円盤は、太陽の金属量とニュートリノ収量を調和させる鍵であった可能性があります。水星の軌道内の非発光質量の分布は、さまざまな方法で光学四重極モーメントと軌道四重極モーメントの相対的な大きさを変える可能性があります。私たちは、これらの発見を利用して太陽のすぐ近くにある暗いディスク、リング、またはハローを制限する方法を開発し、水星と太陽に近い小惑星の将来の軌道測定によってこれらの制約をどのように改善できるかについて説明します。
Iはじめに
1964年にディッケが初めて指摘したように、十分な大きさの太陽の扁平率の光学測定は、水星の近日点歳差運動に大きく寄与し、アインシュタインの一般相対性理論（GR）をテストする可能性があります[1] 1。その後の扁平率の測定
Δ⦿は、平均太陽半径に対する赤道半径と極半径の差として定義され、(5.0±0.7)×10^-5
となり、明らかに10%未満のレベルで一般相対性理論に挑戦しています[3]。その後の数十年間で、扁平率を評価する能力は着実かつ大幅な進歩を示し、宇宙ベースの研究も行われ、誤差が精緻化されました。さらに、磁場と相関する明るさの変化が扁平率の光学測定に与える影響が注目され、定量化されました[4]。これにより、意見の相違が解消され、以前の謎が緩和されました[3、5、6]。最終的には、測定と理論の改良により、太陽の重力四重極モーメントJ2
を、約2×10^-7というゼロでない値で決定することができます。また、水星の軌道の改良測定から得られたその値の精密な決定も、その近似値を支持し、決定された誤差は、後で詳しく説明するように、それよりも約100～1000倍小さいです。これらの新しいレベルの感度により、太陽周回質量など、かつては無視できた効果が顕著になる可能性があるという点で、新しい領域が開かれます。ここでは、太陽のすぐ近くにある非発光物質の質量と分布を制限するために、J2の視覚的評価と重力評価を比較します。
太陽系の歴史のさまざまな時代からのさまざまな証拠は、非発光ディスクの存在を示しています。例えば、測定された太陽ニュートリノフラックスのエネルギースペクトルは、太陽のCNOサイクルの強さを決定します[7, 8, 9]。この速度は、高金属量[10]の太陽モデルとは互換性がありますが、低金属量[11]の太陽モデルとは互換性がありません。同時に、[11]のように表面の分光法から決定された元素の存在量と、太陽震学[12, 13, 11]を通じて内部から推定された元素の存在量との間にも長年の不一致があります。この太陽モデリングの問題は、太陽内部の金属量が表面2の金属量と異なることができれば緩和できますが、これはおそらく、太陽系初期に巨大ガス惑星とともに光球が形成されたことによって生じます[15]。その後の研究では、太陽が太陽周回円盤内で形成された場合に金属量の勾配が現れる可能性があることが示されています[16, 17]。また、水星の軌道のおおよその位置に太陽周ダストリングがあるという証拠も見つかっています[18]。過剰質量密度は 5% と推定され、総質量は決定されていません 3。このようなダストリングの起源は不明であり、太陽系の歴史の後期の影響から生じた可能性もあります [20]。非発光の太陽周縁円盤には、非標準モデル、つまり暗黒物質の成分も含まれる可能性があります。非発光円盤内の通常の物質が太陽系の歴史のかなりの期間にわたって存在した場合、このようなエキゾチックな成分の捕捉が大幅に強化される可能性があります。
このセクションの最後に、論文の残りの部分を概説します。まず、観測された太陽の扁平率が可視四重極モーメント
J2＾Optにどのように関係するかを説明し、その後、測定された水星の近日点歳差運動とその他のデータを使用して、重力相互作用によって決定される四重極モーメントJ2^Orbをどのように決定できるかを説明します。ここでは、太陽震学を利用することで、異なる方法で
J2^Heliも発見できることを指摘します。次に、水星の軌道内に存在する可能性のある暗黒物質を含む非発光成分とその起源について説明します。
2Xにどのように関係するかを説明し、その後、測定された水星の近日点歳差運動とその他のデータを使用して、重力相互作用によって決定される四重極モーメント
J2^Orb
をどのように決定できるかを説明します。ここでは、太陽震学を利用することで、異なる方法で
J2^Heliも発見できることを指摘します。次に、水星の軌道内に存在する可能性のある暗黒物質を含む非発光成分とその起源について説明します。
図 1: 太陽の周りの暗黒物質/ダストリングまたはディスクの最大質量分率
𝜖r≡𝑀r/𝑀totの 95% CL (2𝜎) における限界。式 (30) の重力四重極モーメント
𝐽2
の重力および光学/太陽震動学による決定の差から導かれ、式 (31, 32) の
2𝜎における
𝛿I2 𝐽2の最大値が破線でプロットされている。横軸𝑅は、式 (27) で定義されている暗黒物質/ダストリングまたはディスクの幾何学的寸法によって決定される。破線は、月の秤動限界から推定される制約に対応しています
𝐽2^ext[107]。詳細については本文を参照してください。
図 2: 太陽を取り囲む球状の暗黒物質ハローの質量分率に対する 95% CL (2𝜎) の限界 (𝜖s≡𝑀s/𝑀totと表記) を、水星の軌道内を周回するダストリングの質量分率
𝜖r≡𝑀r/𝑀totに対してプロットしたもの。式 (4, V) の値を式 (38) に代入する。一般相対論制約の場合と制約なしの場合がそれぞれ緑と赤で示されている。詳細については本文を参照。
VIII要約
本論文では、太陽の重力四重極モーメント𝐽2
のさまざまな決定を検討し、太陽の形状の光学評価と、特に水星のメッセンジャー研究による軌道観測からの干渉を注意深く比較しました。観測パターンを広く考えると、式 (17) で示されるパターン
𝐽2^Orb>𝐽2^Opt、𝐽2^Heli (42)
に非常に有利であり、これは非発光ディスクの存在を示しています。特に、GR を仮定し、メッセンジャー データ [29] を使用した軌道結果、式 (4) を、宇宙ベースの観測所 [93] からの同時期の太陽震学結果、式 (V) と比較すると、式 (14) で示される違いがわかります。
𝐽2^Orb | 𝛽=1;𝜂=0 −𝐽2^Heli = 0.057±0.006 (43)
はゼロより大きく、有意性は5𝜎を超えています。また、代替の太陽震度誤差推定値と結果がこの結論にどのように影響するかを調査し、高い有意性を持つ肯定的な結果を支持するものを見つけました。その結果、発見された非発光ディスクの全質量と質量分布に関する制約を開発し、その最大質量の2𝜎
限界は、既存の最良の𝐽2
評価では、少なくとも10^-12 M⊙であると主張します。また、その考えられる構成要素についても慎重に検討した結果、失われた（非発光）質量は十分に大きいため、塵、あらゆる大きさの小惑星、隕石などの従来の質量源では説明できないことが判明しました。また、これらのさまざまな構成要素の総質量は十分に決定されていないと考えています。それでも、暗黒物質もその質量に寄与している可能性があると考えています。したがって、私たちの研究は、水星の軌道内に新たな「失われた質量」の問題があることを示唆しています。小惑星に典型的な質量の PBH などの巨視的な暗黒物質候補は、1 つの具体的な可能性です。また、自己相互作用を伴う特定の超軽量暗黒物質モデル [62] が、水星自体の周りに巨大な暗黒ハローを生成し、水星の軌道の経路に巨大なリングが出現する原因となる可能性についても検討しました。
2025 年に到着予定の水星探査機 Bepi-Columbo は、この論文で利用した以前の MESSENGER ミッションの結果を洗練させると予想しています。水星の軌道と磁気特性のさらなる精密測定により、私たちの発見を確認し洗練させる可能性が生まれます (あるいは、そうでないかもしれません)。特に、水星の軌道に対する短時間スケールの摂動の精密な評価は、[69] で議論されている PBH 候補のような、太陽系を通過する巨大な異質物体を制限します。私たちが特に検討した暗黒物質粒子はアクシオンではないようですが、磁場研究はわずかな電荷を持つ巨視的な暗黒物質物体の可能性を探ることができるため、それでも識別力がある可能性があります。ダストの追加研究も計画されています [115]。最終的には、これらの研究が将来の相対論的一般相対性理論のテストの精度に影響を与えることも期待しています [21]。
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