对宽双星的研究揭示了低加速度下引力修正

　　该图显示了与牛顿-蒙德加速度跃迁范围相对应的天空投影间距s的范围。插图显示了在Chae (2023a)和本研究中使用的盖亚宽双星轨道周期范围的开普勒预测。鸣谢:uux.cn/天体物理学杂志(2024)。DOI: 10.3847/1538-4357/ad0ed5

　　据世宗大学：发表在《天体物理学杂志》上的一项新研究揭示了标准重力在低加速度下以特殊方式分解的新证据。这项新研究加强了先前在2023年报告的修正引力的证据，该证据来自对引力束缚的、广泛分离(或长周期)的双星(称为宽双星)的轨道运动的分析。

　　这项新研究是由韩国首尔世宗大学物理学和天文学教授Kyu-Hyun Chae进行的，欧洲航天局的Gaia太空望远镜观测到了宽双星。

　　Chae在2023年对宽双星的研究中报告的重力异常具有独特的特征，即当相互重力加速度弱于约1纳米每秒平方时，双星中的轨道运动经历了比牛顿预测更大的加速度，加速度提升因子在加速度低于约0.1纳米每秒平方时变为约1.4。

　　这种在宽双星中加速的现象不能用未被探测到的暗物质来解释，因为根据星系动力学和宇宙学的观察，所需的暗物质密度是不可能的。

　　值得注意的是，加速度的增加与AQUAL等MOND(修正牛顿动力学)型修正引力理论在银河系外场作用下的预测非常吻合。MOND范式是由物理学家Mordehai Milgrom提出的，AQUAL理论是由他和已故的物理学家Jacob Bekenstein在40年前提出的。

　　因为受引力束缚的天体物理系统，如星系和星系团以及宇宙本身都受引力支配，所以标准引力在低加速度下的崩溃对天体物理和宇宙学有着深远的影响。因此，从尽可能多的独立研究中证实或复制所报道的异常的重要性怎么强调也不过分。这使得蔡博士对wide二进制进行了独立研究，尽管仍然基于相同的盖亚数据库。

　　蔡博士的新研究通过去除所有可能隐藏未被观测到的额外恒星的系统，专注于“纯”宽双星的干净样本。动机是避免计算隐藏的额外重力效应的负担(以及相关的潜在误差),并将纯样本的结果与早期结果进行比较。

　　Chae保守地选择了多达2463个纯二进制文件，这还不到早期研究中使用的样本的10%。因为在明显的二进制系统中，纯二进制的预期分数至少是50%，这个低得多的分数意味着选择足够严格。

　　蔡博士应用两种算法从纯双星样本中测试引力。在一个最初从早期工作中为一般或“不纯”样本开发的算法中，他使用蒙特卡罗方法来计算观察到的运动加速度(的概率分布)，该运动加速度由真实三维空间中物理分离的相对速度平方定义，作为两颗恒星之间牛顿重力加速度的函数，然后将其与运动加速度的相应牛顿预测进行比较。

　　在另一种更简单且适用于纯双星的算法中，Chae通过蒙特卡罗方法将观测到的两颗恒星之间相对于天空投影间距的天空投影相对速度分布与牛顿预测的分布进行了比较。

　　两种算法都产生了一致的结果，与先前报告的重力异常非常吻合。观测到的两颗星之间的加速度或相对速度，在足够小的间距或足够高的加速度下，自然满足牛顿-爱因斯坦标准引力。

　　然而，在大约2,000 au(天文单位)的间隔和大约1纳米每秒平方的加速度处，观察到的加速度或相对速度开始偏离牛顿预测。然后，在分离大于约5,000 au或加速度低于约0.1纳米每秒平方时，加速度几乎恒定地增加约40-50%或相对速度增加20%，直到探测极限约20,000 au或0.01纳米每秒平方。

　　Chae的新结果与Xavier Hernandez小组的一项独立结果非常一致，该结果目前恰好处于生产阶段。这是很重要的，因为Hernandez的小组选择的样本完全独立于Chae的选择，他们使用了一种独立的算法(不同于Chae的两种算法),该算法基于纯宽二元对的相对速度的完全分布。

　　关于这些结果的意义，蔡博士说，“当我在2023年获得低加速度重力异常的直接证据时，感觉就像在做梦一样。鉴于我通过两种不同的算法从一个十分之小的纯二进制样本中获得了独立的证据，我现在可以更好地了解重力的神秘现实。这些新成果是另一个亮点。”

　　Chae还指出，这一新样本明确地避免了迄今为止文献中提出的任何数据质量下降的问题。Chae进一步澄清了Indranil Banik和合着者最近的矛盾说法，他说:“他们的方法和结果有很多问题。他们的结论是无效的，其中有两个主要原因

　　“在他们的样本选择中，他们故意排除了牛顿体系双星，这对精确校准包含隐藏附加成分的系统的出现率至关重要。然后，他们采用一种特定的速度建模统计算法来同时推断重力、发生率和其他参数，但忽略了速度误差，尽管速度误差对他们的算法至关重要。

　　蔡博士总结道:“至少两个独立小组的三项独立定量分析揭示了基本相同的重力异常。重力异常是真实的，一场新的科学范式转变正在进行中。”

　　观察到的重力异常与MOND型(Milgromian)重力现象学非常一致。然而，包含蒙德型重力现象学的潜在理论可能性目前是开放的，这对理论物理学家和数学家来说可能是个好消息。

　　宽双星引力异常让人想起十九世纪首次观测到的水星近日点岁差异常。后者导致了爱因斯坦的相对论引力理论。前者会引出什么基本理论？