Надежные доказательства разрушения стандартной гравитации при низком ускорении из статистически чистых двойных систем, свободных от скрытых компаньонов
Новое исследование, опубликованное в «Астрофизическом журнале», раскрывает доказательства того, что стандартная гравитация разрушается своеобразным образом при низком ускорении. Это новое исследование подтверждает доказательства модифицированной гравитации, о которых ранее сообщалось в 2023 году на основе анализа орбитальных движений гравитационно связанных, широко разделенных (или длиннопериодических) двойных звезд, известных как широкие двойные системы.
На этом рисунке показан диапазон проецируемого на небо расстояния s, соответствующий диапазону перехода Ньютона-МОНД при ускорении. На вставке показано кеплеровское предсказание диапазона орбитальных периодов для широких двойных систем Гайи, использованное в Чае (2023a) и в этом исследовании.
Фото: Астрофизический журнал (2024 г.). DOI: 10.3847/1538-4357/ad0ed5
Новое исследование было проведено Кю-Хён Че, профессором физики и астрономии из Университета Седжон в Сеуле, Южная Корея, при помощи широких двойных систем, наблюдаемых с помощью космического телескопа Gaia Европейского космического агентства.
Гравитационные аномалии, обнаруженные в 2023 году в ходе исследования широких двойных систем Че, имеют уникальную особенность: орбитальные движения в двойных системах испытывают большие ускорения, чем предсказания Ньютона, когда взаимное гравитационное ускорение слабее, чем примерно 1 нанометр в секунду в квадрате, а коэффициент усиления ускорения становится примерно 1,4 при ускорениях. ниже примерно 0,1 нанометра на секунду в квадрате.
Это повышенное ускорение в широких двойных системах не может быть объяснено ссылкой на необнаруженную темную материю, поскольку о требуемой плотности темной материи не может быть и речи, основываясь на галактической динамике и космологических наблюдениях.
Примечательно, что повышенное ускорение хорошо согласуется с тем, что предсказывают модифицированные теории гравитации типа MOND (модифицированная ньютоновская динамика), такие как AQUAL, в условиях воздействия внешнего поля Млечного Пути. Парадигма MOND была предложена физиком Мордехаем Милгромом, а теория AQUAL была сформулирована им и покойным физиком Якобом Бекенштейном 40 лет назад.
Поскольку гравитационно-связанные астрофизические системы, такие как галактики и скопления галактик, а также сама Вселенная, управляются гравитацией, нарушение стандартной гравитации при низком ускорении имеет глубокие последствия для астрофизики и космологии. Таким образом, невозможно переоценить важность подтверждения или воспроизведения сообщенной аномалии на основе как можно большего количества независимых исследований. Это привело Че к независимому исследованию широких двойных систем, хотя и на основе той же базы данных Гайи.
Новое исследование Че сосредоточилось на чистой выборке «чистых» широких двойных систем путем удаления всех систем, которые потенциально содержат ненаблюдаемые дополнительные звезды. Мотивация заключалась в том, чтобы избежать бремени (и связанных с этим потенциальных ошибок) вычислений скрытых дополнительных гравитационных эффектов и сравнить результаты чистого образца с более ранними результатами.
Че консервативно отобрал до 2463 чистых двоичных файлов, что составляет менее 10% выборки, использованной в предыдущем исследовании. Поскольку ожидаемая доля чистых двойных систем среди явно двойных систем составляет не менее 50%, эта гораздо меньшая доля означает, что отбор был достаточно строгим.
Че применил два алгоритма для проверки гравитации на выборке чистых двойных систем. В одном алгоритме, который изначально был разработан на основе более ранней работы для обычных или «нечистых» образцов, он использовал метод Монте-Карло для расчета (распределения вероятностей) наблюдаемого кинематического ускорения, определяемого квадратом относительной скорости по физическому разделению в реальном времени трехмерное пространство как функцию ньютоновского гравитационного ускорения между двумя звездами, а затем сравнил его с соответствующим ньютоновским предсказанием кинематического ускорения.
В другом алгоритме, более простом и подходящем для чистых двойных звезд, Че сравнил наблюдаемое распределение проецируемых на небо относительных скоростей между двумя звездами относительно проецируемых на небо расстояний с распределением, предсказанным Ньютоном, с помощью метода Монте-Карло.
Оба алгоритма дают последовательные результаты, которые хорошо согласуются с гравитационной аномалией, что сообщалось ранее. Наблюдаемое ускорение или относительная скорость между двумя звездами естественным образом удовлетворяет стандартной гравитации Ньютона-Эйнштейна при достаточно малом расстоянии или достаточно высоком ускорении.
Однако наблюдаемое ускорение или относительная скорость начинает отклоняться от предсказания Ньютона при расстоянии около 2000 а.е. (астрономических единиц) и ускорении около 1 нанометра в секунду в квадрате. Затем наблюдается почти постоянное увеличение ускорения примерно на 40–50 % или увеличение относительной скорости на 20 % при расстоянии более примерно 5000 а.е. или ускорении менее примерно 0,1 нанометра в секунду в квадрате, вплоть до зондируемого предела примерно в 20 000 а.е. или 0,01 нанометра на секунду в квадрате.
Новые результаты Че хорошо согласуются с независимым результатом группы Ксавьера Эрнандеса, который по совпадению в настоящее время находится на стадии производства. Это важно, поскольку группа Эрнандеса отобрала свою выборку совершенно независимо от выбора Че и использовала независимый алгоритм (отличный от двух алгоритмов Ча), основанный на полном распределении относительных скоростей для их чистых широких бинарных пар.
О значимости результатов Че говорит: «Когда я получил прямые доказательства гравитационной аномалии с низким ускорением в 2023 году, мне показалось, что я сплю. Учитывая, что у меня есть независимые доказательства от в десять раз меньшей выборки чистых двойных систем, двух разных алгоритмов, теперь я могу лучше увидеть загадочную реальность гравитации. Эти новые результаты — еще одно ошеломляющее зрелище».
Че также отмечает, что эта новая выборка явно свободна от каких-либо опасений по поводу качества данных, которые до сих пор поднимались в литературе. Че далее разъясняет недавнее противоречивое заявление Индранила Баника и соавторов, говоря: «Их методология и результаты имеют много проблем. Их вывод недействителен, среди прочего, по двум основным причинам».
«При отборе выборки они сознательно исключили двойные системы с ньютоновским режимом, которые имеют решающее значение для точной калибровки частоты возникновения систем, содержащих скрытые дополнительные компоненты. Затем они использовали специальный статистический алгоритм моделирования скоростей, чтобы сделать вывод о гравитации, частоте возникновения, и другие параметры одновременно, но игнорировали ошибки скорости, хотя они жизненно важны для их алгоритма ».
Че заключает: «По крайней мере, три независимых количественных анализа, проведенных двумя независимыми группами, выявляют, по сути, одну и ту же гравитационную аномалию. Гравитационная аномалия реальна, и новый сдвиг научной парадигмы уже в пути».
Наблюдаемая гравитационная аномалия удивительно хорошо согласуется с феноменологией гравитации типа МОНД (милгромианская). Однако основные теоретические возможности, охватывающие феноменологию гравитации типа МОНД, в настоящее время открыты, и это может быть долгожданной новостью для физиков-теоретиков и математиков.
Широкая двойная гравитационная аномалия напоминает аномалию прецессии перигелия Меркурия, впервые наблюдавшуюся в девятнадцатом веке. Последнее привело к созданию релятивистской теории гравитации Эйнштейна. К какой фундаментальной теории приведет первая?
