태양계 행성 궤도에서 본 광속 변화 검증

초록

광속 c가 세기(시간)마다 선형적으로 변한다면 구형 질량체를 도는 입자의 근일점 장축이 서서히 회전한다. 저자는 1세기 동안의 행성 궤도 관측으로 얻은 궤도 근일점 전진 보정값을 이용해 (\dot c/c = (0.5\pm2)\times10^{-7},\text{yr}^{-1}) 를 도출하고, 행성 쌍의 근일점 비율을 통해 3–12σ 수준에서 (\dot c\neq0) 를 배제한다. 결과는 전자기 상수 c와는 별개이며, 다른 천문팀의 독립적인 검증이 필요함을 강조한다.

상세 분석

본 연구는 광속 c를 두 가지 의미로 구분한다. 공간‑시간 구조 상수 c_ST는 일반상대성이론의 기본 상수이며, 전자기 상수 c_EM은 전자기 현상의 전파 속도이다. 저자는 c_ST가 연간 수백만분의 일 수준으로 선형 변화한다면, 구형 질량체 주변의 시험 입자 궤도에 추가적인 섭동 가속도가 발생해 근일점 장축 (\varpi) 이 일정한 비율로 전진한다는 이론적 모델을 제시한다. 이 섭동은 기존의 뉴턴‑아인슈타인 궤도 전진(예: 일반상대성에 의한 43″/세)과 독립적으로 작용하므로, 관측된 궤도 전진 보정값 (\Delta\dot\varpi) 에서 선형 회귀를 통해 (\dot c/c) 를 추정할 수 있다.

데이터는 E.V. Pitjeva가 EPM(정밀 행성) 천문력에 100년 가량의 현대 관측을 적용해 얻은 내행성(수성, 금성, 지구, 화성)의 (\Delta\dot\varpi) 값이다. 각 행성의 이론적 (\dot\varpi) 의 c_ST 의존성을 계산한 뒤, 최소제곱법으로 (\dot c/c) 를 추정하면 ((0.5\pm2)\times10^{-7},\text{yr}^{-1}) 가 나온다. 오차는 관측치의 통계적 불확실성과 모델링 오차를 모두 포함한다.

특히 저자는 행성 쌍 (예: 수성‑금성, 금성‑화성 등)의 (\Delta\dot\varpi) 비율을 이용해 (\dot c\neq0) 가 가정될 경우 기대되는 비율과 실제 비율을 비교한다. 이 비교에서 3σ에서 12σ까지의 차이가 나타나며, 이는 통계적으로 매우 유의미한 결과다.

한계점으로는 (1) c_ST 와 c_EM 의 구분이 실험적으로 명확히 검증되지 않았으며, (2) 행성 궤도 모델에 포함된 다른 미지의 섭동(예: 태양 질량 손실, 소행성대 질량 분포)과의 상관관계가 완전히 배제되지 않는다. 또한, 단일 천문팀의 데이터에 의존하므로 독립적인 검증이 필요하다.

이 연구는 광속 변화를 직접 측정하는 대신 행성 궤도 역학을 통한 간접 검증이라는 새로운 접근법을 제시한다. 결과가 다른 팀에 의해 재현된다면, c_ST 가 실제로 일정함을 더욱 강력히 뒷받침할 것이며, 만약 차이가 발견된다면 기본 물리 상수에 대한 재고가 요구될 가능성이 있다.