Weite Doppelsterne als direkte Hinweise auf die Natur der Schwerkraft bei geringer Beschleunigung von weniger als etwa 1 Nanometer pro Sekunde im Quadrat wurden heiß diskutiert. Die Natur der Schwerkraft bei so geringer Beschleunigung ist von größter Bedeutung, da das Konzept der dunklen Materie, die Gravitationsdynamik astrophysikalischer Systeme sowie grundlegende Theorien der Physik und Kosmologie untrennbar damit verbunden sind.
Beispielsweise würde eine Abweichung von der Newtonschen Erwartung bei einer so geringen Beschleunigung eine Modifikation oder Erweiterung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie erfordern, trotz aller Erfolge außerhalb des niedrigen Beschleunigungsbereichs.
In zwei aktuellen, unabhängigen Studien unter der Leitung von Kyu-Hyun Chae und Xavier Hernandez wird behauptet, dass die statistischen Eigenschaften weiten Doppelsternen auf Grundlage der neuesten Gaia-Datenbank der Europäischen Weltraumorganisation von der Newtonschen Erwartung abweichen. Dies stimmt mit der Vorhersage modifizierter Gravitationstheorien im Rahmen des neuen theoretischen Rahmens überein, der als modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND, manchmal auch als Milgrom-Dynamik bezeichnet) bezeichnet wird und vor 40 Jahren von Mordehai (Moti) Milgrom eingeführt wurde.
Der Zusammenbruch der Newtonschen Gravitation bei niedriger Beschleunigung würde eine wissenschaftliche Revolution bedeuten, deren Auswirkungen unermesslich weitreichend wären. Aufgrund dieser Bedeutung und unter Berücksichtigung anderer abweichender Behauptungen hat Chae eine neue Analyse durchgeführt, um alle bisher aufgeworfenen Fragen zu beantworten, insbesondere die Herausforderungen an die von ihm selbst ermittelte spezifische Gravitationsanomalie bei niedriger Beschleunigung.
Dazu hat Chae eine große Bandbreite an Stichproben in Betracht gezogen und dabei verschiedene Bruchteile hierarchischer Systeme zugelassen, bei denen ein Doppelstern einen unsichtbaren, verschachtelten inneren Doppelstern besitzt. Außerdem hat er verschiedene Methoden angewendet, die im Wesentlichen alle bislang veröffentlichten Methoden abdecken, darunter auch die Methode, die von einigen Forschern verwendet wird, um gegen die Gravitationsanomalie zu argumentieren.
Die Studie war veröffentlicht In Das Astrophysikalische Journal am 9. September 2024. „Bis zu einem gewissen Grad war es meine Verpflichtung gegenüber der Wissenschaftsgemeinschaft, diese neue Arbeit durchzuführen. Ich musste die Probleme und Herausforderungen klären, die sich für meine behauptete Schlussfolgerung ergeben, und die Ursachen für die abweichenden Behauptungen anderer erklären“, sagt Chae.
Chae stellte fest, dass alle Methoden mit verschiedenen Proben konsistente Ergebnisse liefern. Das Ausmaß der im letzten Jahr erstmals festgestellten Gravitationsanomalie scheint robust zu sein.
Chae sagt: „Die Gravitationsanomalie ist in den Daten deutlich erkennbar. Man kann sie nicht entfernen. Vielen Wissenschaftlern ist es ein Rätsel, warum die Gravitation um etwa 40 % zunimmt, wenn die interne Beschleunigung zwischen den umlaufenden Sternenpaaren geringer ist als etwa 0,1 Nanometer pro Sekunde im Quadrat. Das Vorhandensein und der Grad der Gravitationsanomalie wurden jedoch tatsächlich von MOND oder der Milgrom-Dynamik vorhergesagt.“
Wie Newtons Gravitationsgesetz und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie erfüllt MOND die Universalität des freien Falls (auch als schwaches Äquivalenzprinzip bezeichnet), die erstmals von Galileo Galilei durch Experimente am Schiefen Turm von Pisa vorgeschlagen wurde.
Newton und Einstein gehen einen Schritt weiter und übernehmen (unbewusst oder bewusst) das starke Äquivalenzprinzip, wonach die interne Dynamik eines Gravitationssystems, das frei unter einem nahezu konstanten äußeren Feld fällt, vom äußeren Feld nicht beeinflusst wird. Im Gegensatz dazu postuliert MOND das starke Äquivalenzprinzip nicht und betrachtet theoretische Möglichkeiten, die davon frei sind.
Während also weite Doppelsterne, die frei unter dem äußeren Feld der Milchstraße liegen, gemäß den Theorien von Newton und Einstein Keplers Gesetzen gehorchen sollten, sagt MOND voraus, dass die innere Bewegung der weiten Doppelsterne von der Newton-Einstein-Vorhersage um den Grad abweicht, der durch die äußere Feldstärke der Milchstraße von etwa 0,2 Nanometern pro Sekunde im Quadrat vorgegeben ist. Das sind laut der neuen Studie etwa 40 %, was mit früheren Ergebnissen übereinstimmt.
Diese konsistenten Ergebnisse sind zwar beeindruckend, doch um die berichtete Gravitationsanomalie zu einer echten wissenschaftlichen Tatsache zu machen, sind unbegrenzte Reproduktionen und Bestätigungen erforderlich. Außerdem muss die berichtete Gravitationsanomalie kontinuierlich besser charakterisiert werden, um nützliche Einschränkungen für Theorien zu liefern.
Die Augen der Forscher richten sich auf neue Daten und bessere Methoden zu diesem Zweck. Insbesondere wurden bestehende Forschungsergebnisse nur mit den himmelsprojizierten Quergeschwindigkeiten von Sternen erzielt, da die Sichtlinien-Geschwindigkeitskomponenten noch nicht genau gemessen wurden. Forscher, darunter auch Chae, erwägen neue Messungen der Sichtlinien-Geschwindigkeiten von Sternen.
Die andere Studie, mit Hernandez als Hauptautor, war veröffentlicht im Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Weitere Informationen:
Kyu-Hyun Chae, Messungen der Gravitationsanomalie bei geringer Beschleunigung anhand des normalisierten Geschwindigkeitsprofils von Gaia-weiten Doppelsternen und statistische Tests der Newton- und Milgrom-Theorien, Das Astrophysikalische Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad61e9
X Hernandez et al., Eine kritische Überprüfung der jüngsten Gaia-weiten binären Gravitationstests, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae1823
Zur Verfügung gestellt von der Sejong-Universität