Upadek teorii niskiego przyspieszenia Newtona i Einsteina

Badanie ruchów orbitalnych szerokich układów podwójnych ujawniło dowody na to, że skalarna grawitacja załamuje się przy niskim przyspieszeniu. Odkrycie jest zgodne ze zmodyfikowaną teorią o nazwie MOND i podważa obecne poglądy na temat ciemnej materii. Implikacje dla astrofizyki, fizyki i kosmologii są głębokie, a odkrycia zostały uznane przez ekspertów w tej dziedzinie za ważne odkrycie.

Nowe badania dostarczają przekonujących dowodów na rekordowe kolapsy grawitacyjne przy dolnej granicy przyspieszenia, wynikające z weryfikowalnej analizy ruchów orbitalnych długich, szeroko rozstawionych gwiazd podwójnych. Gwiazdy te są powszechnie określane jako szerokie układy podwójne w astronomii i astrofizyce. Badanie zostało przeprowadzone przez Kyu-Hyun Chae, profesora fizyki i astronomii na Uniwersytecie Sejong w Seulu i wykorzystano do 26 500 szerokich układów podwójnych w odległości 650 lat świetlnych (LY), które zostały dostrzeżone przez kosmiczny teleskop Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej.

metodologia

Aby uzyskać znaczną poprawę w porównaniu z innymi badaniami, badanie Chai skupiło się na obliczeniu przyspieszeń grawitacyjnych doświadczanych przez gwiazdy podwójne w funkcji ich separacji lub równoważnie okresu orbitalnego. Osiągnięto to poprzez projekcję Monte Carlo obserwowanych ruchów projekcji nieba w trójwymiarową przestrzeń.

Zhai wyjaśnia: „Od samego początku wydawało mi się jasne, że grawitacji można doświadczyć bezpośrednio i skutecznie, obliczając przyspieszenie, ponieważ samo pole grawitacyjne jest przyspieszeniem. Moje ostatnie doświadczenia badawcze z krzywymi rotacji galaktycznej doprowadziły mnie do tego pomysłu. szerokie układy podwójne mają pewne podobieństwa w swoich orbitach.

Ponadto Chae skalibrował częstość występowania ukrytych, zakłócających diod wewnętrznych przy standardowym przyspieszeniu, w przeciwieństwie do innych badań.

Po lewej: podwójny układ gwiezdny z zachodzącym na siebie wewnętrznym układem podwójnym (źródło: Wikipedia). Po prawej: Anomalia grawitacyjna przy niskim przyspieszeniu obserwowana w 20 000 szerokich układów podwójnych Źródło: Kyu-Hyun Chae

znaleziska

Badanie ujawniło, że kiedy dwie gwiazdy krążą wokół siebie z przyspieszeniami mniejszymi niż około jednego nanometra na sekundę do kwadratu, zaczynają odbiegać od przewidywań prawa powszechnego ciążenia Newtona i ogólnej teorii względności Einsteina. Dla przyspieszeń poniżej około 0,1 nanometra na sekundę do kwadratu obserwowane przyspieszenie jest o około 30 do 40 procent wyższe niż przewidywania Newtona-Einsteina. Znaczenie jest znaczące i spełnia tradycyjne kryteria 5 sigma dla odkrycia naukowego. W próbce 20 000 szerokich diod w odległości 650 LY dwa niezależne naprężenia akceleratora wykazują odpowiednio odchylenia o istotność większą niż 5 sigma w tym samym kierunku.

Ponieważ obserwowane przyspieszenie większe niż około 10 nanometrów na sekundę do kwadratu dobrze zgadza się z przewidywaniami Newtona-Einsteina z tej samej analizy, obserwowany wzrost przyspieszenia przy niższych przyspieszeniach jest zagadką. Co ciekawe, ten upadek teorii Newtona-Einsteina przy najsłabszym przyspieszeniu został zaproponowany 40 lat temu przez fizyka teoretyka Mordehaia Milgroma z Instytutu Weizmanna w Izraelu w nowej ramie teoretycznej zwanej Zmodyfikowaną Dynamiką Newtona (MOND) lub dynamiką Milgroma w obecnym użyciu.

Połączenie MOND

Współczynnik wzmocnienia wynoszący około 1,4 został prawidłowo przewidziany przez Lagrange’owską teorię grawitacji typu MOND, zwaną AQUAL, zaproponowaną przez Milgroma i nieżyjącego już fizyka Jacoba Bekensteina. Godne uwagi jest to, że prawidłowy współczynnik wzmocnienia wymaga wpływu pola zewnętrznego od droga Mleczna Galaxy, unikalna prognoza grawitacji zmodyfikowana przez MOND. Tak więc obszerne dane binarne wskazują nie tylko na załamanie dynamiki newtonowskiej, ale także na manifestację efektu zewnętrznego pola modulowanej grawitacji.

Wgląd Chai

O wynikach Chai mówi: „Wydaje się niemożliwe, aby jakiś nieznany spisek lub metodologia mogła spowodować te zależne od akcelerometru załamania skalarnej grawitacji w zgodzie z AQUAL. Zbadałem całą systematykę, jak opisano w dość długim artykule. Wyniki są prawdziwe. Spodziewam się, że w przyszłości wyniki zostaną potwierdzone i udoskonalone lepszymi i większymi danymi. Udostępniłem również cały mój kod ze względu na przejrzystość i aby służył każdemu zainteresowanemu badaczowi.

Efekty i ograniczenia

W przeciwieństwie do krzywych rotacji galaktycznej, gdzie obserwowane zwiększone przyspieszenie można teoretycznie przypisać ciemnej materii w standardowej grawitacji Newtona-Einsteina, szerokie układy podwójne nie mogłyby mieć wpływu na dynamikę, nawet gdyby były obecne. Standardowa grawitacja po prostu zapada się do słabego limitu przyspieszenia zgodnie z ramami MOND.

Implikacje szerokiej dynamiki układów podwójnych są głębokie w astrofizyce, fizyce teoretycznej i kosmologii. Odchylenia zaobserwowane na orbitach Merkurego w XIX wieku ostatecznie doprowadziły do ​​ogólnej teorii względności Einsteina. Odchylenia obecnie w szerokich układach podwójnych wymagają nowej teorii, która rozszerzy ogólną teorię względności na dolną granicę przyspieszenia MOND.

Mimo wszystkich sukcesów newtonowskiej grawitacji, ogólna teoria względności jest niezbędna dla relatywistycznych zjawisk grawitacyjnych, takich jak czarne dziury i fale grawitacyjne. Podobnie, pomimo wszystkich sukcesów ogólnej teorii względności, potrzebna jest nowa teoria zjawiska MOND w słabej granicy przyspieszenia. Kataklizm słabego przyspieszenia grawitacyjnego może w pewnym stopniu przypominać ultrafioletowy kataklizm klasycznej elektrodynamiki, która doprowadziła do fizyki kwantowej.

Rewolucja w fizyce

Szerokie aberracje binarne są katastrofalne dla standardowej grawitacji i kosmologii, która opiera się na koncepcjach ciemnej materii i ciemnej energii. Ponieważ grawitacja podąża za MOND, duża ilość ciemnej materii w galaktykach (a nawet we Wszechświecie) nie jest już potrzebna. To duże zaskoczenie dla Chai, który, jak zwykli naukowcy, jeszcze kilka lat temu „wierzył” w ciemną materię.

Wydaje się, że w fizyce trwa nowa rewolucja. Jeśli chodzi o obecne odkrycia i perspektywy na przyszłość, Milgrom mówi: „Odkrycie Chai jest wynikiem bardzo dogłębnej analizy najnowocześniejszych danych, która, o ile mogę sądzić, została przeprowadzona z wielką starannością i precyzją. Ale dla tak dalekosiężnego odkrycia – a jest ono w istocie dalekosiężne – potrzebujemy potwierdzenia niezależnymi analizami, najlepiej z lepszymi danymi z przyszłości. Jeśli ta anomalia zostanie potwierdzona jako załamanie dynamiki newtonowskiej, a zwłaszcza jeśli rzeczywiście zgadza się z najbardziej bezpośrednimi przewidywaniami MOND, miałoby to ogromne implikacje dla astrofizyki, kosmologii i fizyki fundamentalnej w ogólności”.

Opinie rówieśników

Xavier Hernandez, profesor UNAM w Meksyku, który dziesięć lat temu jako pierwszy zaproponował obszerne binarne testy grawitacji, mówi: „To ekscytujące, że odejście od grawitacji Newtona, o którym moja grupa twierdziła od jakiegoś czasu, zostało niezależnie potwierdzone i robi wrażenie. że to zostało zidentyfikowane.” Po raz pierwszy odejście poprawnie, ponieważ dokładnie odpowiada szczegółowemu modelowi MOND. Nigdy wcześniej Dokładność Z satelity Gaia, duża i starannie dobrana próbka Chae oraz jego szczegółowa analiza sprawiają, że jego wyniki są wystarczająco mocne, aby kwalifikować się jako odkrycie”.

Pavel Krupa, profesor Uniwersytetu w Bonn i Uniwersytetu Karola w Pradze, doszedł do tych samych wniosków dotyczących prawa grawitacji. Mówi: „Dzięki temu testowi na szerokich układach podwójnych, jak również naszym testom na otwartych gromadach gwiazd w pobliżu Słońca, dane przekonująco wskazują, że grawitacja jest raczej milgromowska niż newtonowska. Implikacje dla całej astrofizyki są ogromne”.

Odkrycie zostało opublikowane w numerze z 1 sierpnia 2023 roku the Dziennik astrofizyczny.

Odniesienie: „Record Newton-Einstein Gravity Collapse at Low Accelerations in the Internal Dynamics of Massive Binary Stars”, Kyu Hyun-chae, 24 lipca 2023 r., Dostępne tutaj. Dziennik astrofizyczny.
DOI: 10.3847/1538-4357/ace101