Một nghiên cứu về chuyển động quỹ đạo của các nhị phân rộng đã tiết lộ bằng chứng cho thấy lực hấp dẫn vô hướng sụp đổ ở gia tốc thấp. Phát hiện này phù hợp với một lý thuyết đã được sửa đổi có tên là MOND và thách thức các quan niệm hiện tại về vật chất tối. Ý nghĩa đối với vật lý thiên văn, vật lý học và vũ trụ học là rất sâu sắc, và những phát hiện này đã được các chuyên gia trong lĩnh vực này công nhận là một khám phá quan trọng.

Một nghiên cứu mới báo cáo bằng chứng thuyết phục về sự sụp đổ hấp dẫn phá kỷ lục ở giới hạn gia tốc thấp hơn, xuất phát từ một phân tích có thể kiểm chứng về chuyển động quỹ đạo của các ngôi sao nhị phân dài, cách đều nhau. Những ngôi sao này thường được gọi là sao đôi rộng trong thiên văn học và vật lý thiên văn. Nghiên cứu được thực hiện bởi Kyu-Hyun Chae, giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Sejong ở Seoul, và sử dụng tới 26.500 nhị phân rộng trong vòng 650 năm ánh sáng (LY), được phát hiện bởi kính viễn vọng không gian Gaia của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu.

phương pháp luận

Để cải thiện đáng kể so với các nghiên cứu khác, nghiên cứu của Chai tập trung vào việc tính toán gia tốc trọng trường mà các sao đôi trải qua như là một hàm của sự phân tách của chúng, hoặc tương đương, chu kỳ quỹ đạo. Điều này đạt được nhờ phép chiếu Monte Carlo của các chuyển động chiếu bầu trời quan sát được vào không gian ba chiều.

Zhai giải thích: “Ngay từ đầu, tôi thấy rõ ràng rằng lực hấp dẫn có thể được trải nghiệm một cách trực tiếp và hiệu quả bằng cách tính toán gia tốc vì bản thân trường hấp dẫn là một gia tốc. Kinh nghiệm nghiên cứu gần đây của tôi với các đường cong quay của thiên hà đã đưa tôi đến ý tưởng này. Đĩa thiên hà và các nhị phân rộng chia sẻ một số điểm tương đồng trong quỹ đạo của chúng, mặc dù các nhị phân rộng đi theo quỹ đạo rất dài trong khi các phân tử khí hydro trong đĩa thiên hà đi theo quỹ đạo gần tròn.”

Ngoài ra, Chae đã hiệu chỉnh tỷ lệ xuất hiện của các đi-ốt gây nhiễu ẩn bên trong ở gia tốc tiêu chuẩn, trái ngược với các nghiên cứu khác.

những phát hiện

Nghiên cứu tiết lộ rằng khi hai ngôi sao quay quanh nhau với gia tốc nhỏ hơn khoảng một nanomet trên giây bình phương, chúng bắt đầu đi chệch khỏi dự đoán của định luật vạn vật hấp dẫn của Newton và thuyết tương đối rộng của Einstein. Đối với các gia tốc dưới khoảng 0,1 nanomet trên giây bình phương, gia tốc quan sát được cao hơn khoảng 30 đến 40 phần trăm so với dự đoán của Newton-Einstein. Tầm quan trọng rất quan trọng và nó đáp ứng tiêu chí 5 sigma truyền thống cho một khám phá khoa học. Trong một mẫu gồm 20.000 điốt rộng trong giới hạn khoảng cách 650 LY, hai dòng máy gia tốc độc lập tương ứng thể hiện độ lệch có ý nghĩa lớn hơn 5 sigma theo cùng một hướng.

Vì gia tốc quan sát được mạnh hơn bình phương khoảng 10 nanomet trên giây rất phù hợp với dự đoán Newton-Einstein từ cùng một phân tích, nên sự gia tăng gia tốc quan sát được ở các gia tốc thấp hơn là một câu đố. Thật thú vị, sự sụp đổ này của lý thuyết Newton-Einstein ở gia tốc yếu nhất đã được đề xuất cách đây 40 năm bởi nhà vật lý lý thuyết Mordehai Milgrom tại Viện Weizmann ở Israel trong một khung lý thuyết mới có tên là Động lực học Newton đã sửa đổi (MOND) hoặc động lực học Milgrom trong cách sử dụng hiện tại.

kết nối MOND

Hệ số tăng cường khoảng 1,4 đã được dự đoán chính xác bởi lý thuyết hấp dẫn Lagrangian kiểu MOND gọi là AQUAL, được đề xuất bởi Milgrom và nhà vật lý quá cố Jacob Bekenstein. Điều đáng chú ý là hệ số gia cường chính xác cần có sự tác động của ngoại trường từ dải Ngân Hà Galaxy, một dự đoán trọng lực được sửa đổi MOND độc đáo. Do đó, dữ liệu nhị phân mở rộng không chỉ chỉ ra sự phá vỡ của động lực học Newton mà còn là biểu hiện của hiệu ứng trường bên ngoài của lực hấp dẫn được điều biến.

Chai Insight

Về kết quả, Chai nói, “Có vẻ như không thể có một âm mưu hay phương pháp chưa biết nào đó có thể gây ra sự sụp đổ của lực hấp dẫn vô hướng phụ thuộc vào gia tốc kế này theo thỏa thuận với AQUAL. Tôi đã kiểm tra tất cả các hệ thống như được mô tả trong bài báo khá dài. Kết quả là có thật. Tôi hy vọng rằng kết quả sẽ được xác nhận và tinh chỉnh với dữ liệu tốt hơn và lớn hơn trong tương lai. Tôi cũng đã phát hành tất cả mã của mình vì mục đích minh bạch và để phục vụ bất kỳ nhà nghiên cứu nào quan tâm.”

Tác dụng và hạn chế

Không giống như các đường cong quay của thiên hà, trong đó gia tốc tăng cường quan sát được về mặt lý thuyết có thể được quy cho vật chất tối trong lực hấp dẫn Newton-Einstein tiêu chuẩn, động lực học nhị phân rộng không thể bị ảnh hưởng bởi chúng ngay cả khi chúng có mặt. Lực hấp dẫn tiêu chuẩn chỉ đơn giản là sụp đổ vào giới hạn gia tốc yếu theo khung MOND.

Ý nghĩa của động lực nhị phân rộng là sâu sắc trong vật lý thiên văn, vật lý lý thuyết và vũ trụ học. Những sai lệch quan sát được trong quỹ đạo của Sao Thủy vào thế kỷ 19 cuối cùng đã dẫn đến thuyết tương đối rộng của Einstein. Độ lệch bây giờ trong các nhị phân rộng đòi hỏi một lý thuyết mới mở rộng thuyết tương đối rộng đến giới hạn gia tốc thấp MOND.

Đối với tất cả những thành công của lực hấp dẫn Newton, thuyết tương đối rộng là điều cần thiết đối với các hiện tượng hấp dẫn tương đối tính như lỗ đen và sóng hấp dẫn. Tương tự như vậy, bất chấp tất cả những thành công của thuyết tương đối rộng, một lý thuyết mới là cần thiết cho hiện tượng MOND trong giới hạn gia tốc yếu. Thảm họa của gia tốc hấp dẫn yếu có thể có một số điểm tương đồng với thảm họa cực tím của điện động lực học cổ điển dẫn đến vật lý lượng tử.

Một cuộc cách mạng trong vật lý

Quang sai nhị phân rộng là thảm họa đối với lực hấp dẫn tiêu chuẩn và vũ trụ học dựa trên các khái niệm về vật chất tối và năng lượng tối. Vì lực hấp dẫn tuân theo MOND, lượng lớn vật chất tối trong các thiên hà (và thậm chí trong Vũ trụ) không còn cần thiết nữa. Đây là một bất ngờ lớn đối với Chai, người cũng giống như các nhà khoa học bình thường, “tin” vào vật chất tối cho đến vài năm trước.

Có vẻ như một cuộc cách mạng mới trong vật lý đang diễn ra. Liên quan đến những phát hiện hiện tại và triển vọng trong tương lai, Milgrom nói: “Việc phát hiện ra Chai là kết quả của quá trình phân tích rất sâu về dữ liệu tiên tiến, theo như tôi có thể đánh giá, đã được thực hiện rất cẩn thận và chính xác. Nhưng đối với một khám phá có tầm ảnh hưởng sâu rộng như vậy—và trên thực tế, nó có ảnh hưởng sâu rộng—Chúng ta cần xác nhận thông qua các phân tích độc lập, tốt nhất là với dữ liệu tốt hơn trong tương lai. Nếu sự bất thường này được xác nhận là sự sụp đổ của động lực học Newton, và đặc biệt nếu nó thực sự phù hợp với những dự đoán trực tiếp nhất của MOND, nó sẽ có ý nghĩa to lớn đối với vật lý thiên văn, vũ trụ học và vật lý cơ bản nói chung.”

Ý kiến ​​​​đồng nghiệp

Xavier Hernandez, giáo sư tại UNAM ở Mexico, người đầu tiên đề xuất các phép thử nhị phân quy mô lớn về lực hấp dẫn cách đây một thập kỷ, nói: “Thật thú vị khi sự khác biệt so với lực hấp dẫn Newton mà nhóm của tôi đã tuyên bố trong một thời gian đã được xác nhận một cách độc lập, và điều đó thật ấn tượng. rằng điều này đã được xác định.” Khởi hành chính xác lần đầu tiên vì nó tương ứng chính xác với mô hình MOND chi tiết. Chưa từng thấy trước đây Sự chính xác Từ vệ tinh Gaia, mẫu lớn và được lựa chọn cẩn thận của Chae cùng với phân tích chi tiết của anh ấy khiến kết quả của anh ấy đủ mạnh để được coi là một khám phá.”

Pavel Krupa, giáo sư tại Đại học Bonn và Đại học Charles ở Praha, cũng đưa ra kết luận tương tự về định luật hấp dẫn. Ông nói, “Với thử nghiệm này trên các hệ nhị phân rộng cũng như các thử nghiệm của chúng tôi trên các cụm sao mở gần Mặt trời, dữ liệu giờ đây chỉ ra một cách thuyết phục rằng lực hấp dẫn là của Milgromian chứ không phải của Newton. Ý nghĩa đối với tất cả vật lý thiên văn là rất lớn.”

Khám phá được công bố trên số ra ngày 1 tháng 8 năm 2023 của tạp chí các tạp chí vật lý thiên văn.

Tham khảo: “Ghi lại sự sụp đổ của lực hấp dẫn Newton-Einstein ở gia tốc thấp trong động lực học bên trong của các sao nhị phân khối lượng lớn” của Kyu Hyun-chae, ngày 24 tháng 7 năm 2023, Có sẵn tại đây. tạp chí vật lý thiên văn.
DOI: 10.3847/1538-4357/ace101