Ново изследване съобщава за убедителни доказателства за нарушаване на стандартната теория на гравитацията в границата на ниското ускорение от проверяем анализ на орбиталните движения на дългопериодични, силно раздалечени двойни звезди, обикновено наричани в астрономията и астрофизиката широки двойни звезди.

В изследването, проведено от Кю-Хюн Чае (Kyu-Hyun Chae), професор по физика и астрономия в Университета Седжонг в Сеул, са използвани до 26 500 широки двойни звездни системи в рамките на 650 светлинни години (LY), наблюдавани от космическия телескоп Gaia на Европейската космическа агенция. Изследването е публикувано в броя от 1 август 2023 г. на Astrophysical Journal.

За разлика от други изследвания това на Чае се фокусира върху изчисляването на гравитационните ускорения, изпитвани от двойните звезди като функция на тяхното разстояние или, еквивалентно на орбиталния период, чрез Монте Карло депроекция на наблюдаваните движения, проектирани в небето, в триизмерното пространство.

"От самото начало ми се стори ясно, че теорията на гравитацията може да бъде най-пряко и ефикасно проверена чрез изчисляване на ускоренията, тъй като самото гравитационно поле е ускорение. На тази идея ме наведе неотдавнашният ми изследователски опит с кривите на въртене на галактиките. Галактическите дискове и широките двойки звезди имат известна прилика в орбитите си, въпреки че широките двойни звезди следват силно удължени орбити, докато частиците водороден газ в галактическия диск следват почти кръгови орбити", обяснява Чае.

На левия панел е показана елиптична орбита в орбитална равнина, гледана фронтално. Десният панел показва триизмерната геометрия на наблюдението и показва връзката между орбиталната равнина и небесната равнина на наблюдателя. Кредит: The Astrophysical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/ace101

Освен това, за разлика от други изследвания, Чае калибрира честотата на поява на скрити вложени вътрешни двойки звезди при референтно ускорение.

Изследването установява, че когато две звезди обикалят една около друга с ускорения, по-малки от около един нанометър в секунда на квадрат (<1 nm/s²), започват да се отклоняват от прогнозите на Нютоновия закон за всемирното притегляне и Общата теория на относителността на Айнщайн.

При ускорения, по-малки от около 0.1 nm/s², наблюдаваното ускорение е с около 30 до 40 % по-високо от предвиденото по законите на Нютон и Айнщайн. Значимостта е много висока и отговаря на общоприетите критерии от 5 сигма за научно откритие. В извадка от 20 000 широки двойки звезди в границите на разстоянието от 650 LY две независими групи ускорения съответно показват отклонения със значимост над 5 сигма в една и съща посока.

Докато наблюдаваните ускорения, по-силни от около 10 nm/s², се съгласуват добре с прогнозата на Нютон-Айнщайн от същия анализ, наблюдаваното нарастване на ускоренията при по-ниски ускорения остава загадка.

Интересно е, че това нарушаване на теорията на Нютон-Айнщайн при ускорения, по-слаби от около 1 nm/s², е предположено преди 40 години от физика теоретик Мордехай Милгром (Mordehai Milgrom) от Института Вайцман в Израел в нова теоретична рамка, наречена модифицирана Нютонова динамика (MOND - MOdified Newtonian Dynamics) или Милгромова динамика (Milgromian dynamics) в момента.

Освен това коефициентът на нарастване от около 1,4 е правилно предвиден от лагранжевата теория на гравитацията от типа MOND, наречена AQUAL, предложена от Милгром и покойния физик Якоб Бекенщайн (Jacob Bekenstein).

Забележителното е, че правилният коефициент на увеличение изисква т.нар. Ефект на външното поле (вж най-долу) от галактиката Млечен път, който е уникално предсказание на модифицираната гравитация от типа MOND. По този начин данните за широките двойки звезди показват не само нарушаването на Нютоновата динамика, но и проявлението на ефекта на външното поле на модифицираната теория на гравитацията.

Коефициентът на усилване от 1,4 не може да се обясни с наличието на тъмна материя, тъй като тя няма ефект върху малкия мащаб на широките двойки звезди. В по-големия мащаб на галактиките тъмната материя остава необходима за обяснение на наблюдаваните движения (напр. заради кривите на въртене на галактиките), но с вече установената „гравитационна катастрофа със слабото ускорение“ е необходима много по-малко тъмна материя.

Отляво тясна двойна звезда като част от широка двойна звезда. Вдясно, гравитационната аномалия, наблюдавана от Чае. Кредит: Kyu-Hyun Chae

По повод на резултатите Чае казва:

"Изглежда невъзможно конспирация или неизвестна систематична грешка да предизвиква тези зависими от ускорението нарушения на стандартната гравитация в унисон с AQUAL. Разгледах всички възможни систематики, както е описано в доста дългата статия. Резултатите са истински. Предвиждам, че резултатите ще бъдат потвърдени и уточнени с по-добри и по-мащабни данни в бъдеще. Също така публикувах всички мои кодове в името на прозрачността и за да послужат на всички заинтересовани изследователи."

За разлика от кривите на въртене на галактиките, при които наблюдаваните ускорения могат по принцип да се припишат на тъмната материя в рамките на Стандартната теория на гравитацията на Нютон-Айнщайн, динамиката на широките двойки звезди не може да бъде повлияна от нея, дори и да съществуваше. Стандартната гравитация просто се разпада в границата на слабите ускорения в съответствие с концепцията MOND.

Последиците от динамиката на широките двойки двойки са дълбоки в областта на астрофизиката, теоретичната физика и космологията. Аномалиите в орбитите на Меркурий, наблюдавани през XIX век, в крайна сметка водят до Общата теория на относителността на Айнщайн.

Сега аномалиите в широките двойки звезди изискват нова теория, разширяваща Общата теория на относителността до границата на MOND с ниско ускорение. Въпреки всички успехи на Нютоновата гравитация, Общата теория на относителността е необходима за релативистки гравитационни явления като черни дупки и гравитационни вълни.

По същия начин, въпреки всички успехи на Общата теория на относителността, е необходима нова теория за явленията MOND в границата на слабото ускорение. Катастрофата на теорията на гравитацията в границата на слабото ускорение може да има известна прилика с ултравиолетовата катастрофа на класическата електродинамика, която довежда до квантовата физика.

Аномалиите при широките двойки звезди са катастрофа за стандартната гравитация и космология, които се основават на концепциите за тъмна материя и тъмна енергия.

Тъй като гравитацията следва MOND, голямо количество тъмна материя в галактиките (и дори във Вселената) вече не са необходими.

Това е голяма изненада и за Чае, който, подобно на типичните учени, " е вярвал" в тъмната материя допреди няколко години.

Изглежда, че сега е в ход нова революция във физиката.

Милгром заявява:

"Откритието на Чае е резултат от много задълбочен анализ на най-съвременни данни, който, доколкото мога да преценя, той е извършил много щателно и внимателно. Но за такова далечно откритие - а то наистина е много далечно - ние изискваме потвърждение чрез независими анализи, за предпочитане с по-добри бъдещи данни."

"Ако тази аномалия се потвърди като срив на нютоновата динамика и особено ако тя наистина се съгласува с най-простите предсказания на MOND, това ще има огромни последици за астрофизиката, космологията и за фундаменталната физика като цяло."

Хавиер Ернандес (Xavier Hernandez), професор в UNAM в Мексико, пръв предлага такава проверка на гравитацията преди десетилетие.

"Вълнуващо е, че отклонението от Нютоновата гравитация, за което моята група твърди от известно време, сега е независимо потвърдено, и впечатляващо е, че това отклонение за пръв път е правилно определено като точно съответстващо на подробен модел на MOND. Безпрецедентната точност на спътника Gaia, голямата и щателно подбрана извадка, която Чае използва, и подробният му анализ правят резултатите му достатъчно надеждни, за да бъдат квалифицирани като откритие."

Павел Крупа (Pavel Kroupa), професор в университета в Бон и в Карловия университет в Прага, стига до същите заключения относно закона за гравитацията.

"С този тест върху широки двойки звезди, както и с нашите тестове върху отворени звездни купове в близост до Слънцето, данните вече убедително сочат, че гравитацията е по-скоро Милгромова, отколкото Нютонова. Последиците за цялата астрофизика са огромни", подчертава професор Крупа.

Ефектът на външното поле според MOND трябва да въздейства на широките двойни звездни системи и се причинява от Млечния път и други галактики. Следователно изглежда, че данните от Gaia не само показват, че законите на Нютон-Айнщайн не са валидни при ниски ускорения, но и че ефектът на външното поле наистина се случва.

Справка: Kyu-Hyun Chae, Breakdown of the Newton–Einstein Standard Gravity at Low Acceleration in Internal Dynamics of Wide Binary Stars, The Astrophysical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/ace101

Източници:

Smoking-gun evidence for modified gravity at low acceleration from Gaia observations of wide binary stars, Sejong University

The External Field Effect, Case Western Reserve University, Sears Library

Още по темата

03/01/2023

Космос

Нови измервания на въртенето на галактиките насочват към модифицираната гравитация като обяснение за тъмната материя

31/10/2022

Космос

Грешни ли са законите за гравитацията на Нютон: Наблюдения озадачават учените

17/10/2022

Космос

Ново откритие показва алтернативна теория за гравитацията

25/10/2021

Физика

Нова теория на MOND, която не изисква тъмна материя и отчита космическия микровълнов фон