Eine aktuelle Studie zeigt, dass die Umlaufbewegungen weit voneinander entfernter Doppelsterne, sogenannter „breiter Doppelsterne“, das Standardmodell der Schwerkraft bei geringen Beschleunigungen zunichte machen. Bei der Analyse von Daten aus 26.500 Doppelsternsystemen fanden Forscher heraus, dass Beschleunigungen unter einem Nanometer pro Quadratsekunde von den Gravitationsgesetzen von Newton und Einstein abweichen.
Eine Studie über die Umlaufbewegungen großer Doppelsterne hat Hinweise darauf gefunden, dass die Standardgravitation bei niedrigen Beschleunigungen zusammenbricht. Diese Entdeckung steht im Einklang mit einer modifizierten Theorie namens MOND und stellt aktuelle Konzepte der Dunklen Materie in Frage. Die Auswirkungen auf Astrophysik, Physik und Kosmologie sind tiefgreifend und die Ergebnisse wurden von Experten auf diesem Gebiet als bedeutende Entdeckung anerkannt.
Eine neue Studie liefert schlüssige Beweise für den Zusammenbruch der Standardgravitation in der unteren Beschleunigungsgrenze, die aus einer überprüfbaren Analyse der Umlaufbewegungen langperiodischer, weit voneinander entfernter Doppelsterne stammen. Diese Sterne werden in der Astronomie und Astrophysik allgemein als große Doppelsterne bezeichnet. Die Studie wurde von Kyu-Hyun Chae, Professor für Physik und Astronomie an der Sejong-Universität in Seoul, durchgeführt und nutzte bis zu 26.500 große Doppelsterne innerhalb von 650 Lichtjahren (LY), beobachtet vom Gaia-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation.
Methodik
Um eine deutliche Verbesserung gegenüber anderen Forschungen zu erzielen, konzentrierte sich Chaes Studie auf die Berechnung der Gravitationsbeschleunigungen, die Doppelsterne als Funktion ihres Abstands oder gleichwertig der Umlaufzeit erfahren. Dies wurde durch eine Monte-Carlo-Deprojektion beobachteter, vom Himmel projizierter Bewegungen in den dreidimensionalen Raum erreicht.
Chae erklärt: „Von Anfang an schien es mir klar zu sein, dass die Schwerkraft am direktesten und effizientesten durch die Berechnung von Beschleunigungen getestet werden kann, da das Gravitationsfeld selbst eine Beschleunigung ist. Meine jüngsten Forschungserfahrungen mit galaktischen Rotationskurven führten mich zu dieser Idee. Galaktische Scheiben und große Doppelsterne weisen gewisse Ähnlichkeiten in ihren Umlaufbahnen auf, obwohl breite Doppelsterne stark verlängerten Umlaufbahnen folgen, während Wasserstoffgaspartikel in einer galaktischen Scheibe nahezu kreisförmigen Umlaufbahnen folgen.“
Darüber hinaus kalibrierte Chae im Gegensatz zu anderen Studien die Auftrittsrate versteckter verschachtelter innerer Binärdateien mit einer Benchmark-Beschleunigung.
Links: Ein Doppelsternsystem mit einem verschachtelten inneren Doppelsternsystem (Quelle: Wikipedia). Rechts: Gravitationsanomalie bei geringer Beschleunigung, beobachtet in 20.000 breiten Doppelsternen. Bildnachweis: Kyu-Hyun Chae
Ergebnisse
Die Studie zeigt, dass zwei Sterne, wenn sie einander mit Beschleunigungen von weniger als etwa einem Nanometer pro Quadratsekunde umkreisen, beginnen, von den Vorhersagen von Newtons universellem Gravitationsgesetz und Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie abzuweichen. Bei Beschleunigungen von weniger als etwa 0,1 Nanometer pro Quadratsekunde ist die beobachtete Beschleunigung etwa 30 bis 40 Prozent höher als die Newton-Einstein-Vorhersage. Die Bedeutung ist beträchtlich und erfüllt die herkömmlichen Kriterien von 5 Sigma für eine wissenschaftliche Entdeckung. In einer Stichprobe von 20.000 breiten Binärdateien innerhalb einer Entfernungsgrenze von 650 Lichtjahren zeigen zwei unabhängige Beschleunigungsbereiche jeweils Abweichungen von über 5 Sigma-Signifikanz in die gleiche Richtung.
Da die beobachteten Beschleunigungen von mehr als etwa 10 Nanometern pro Quadratsekunde gut mit der Newton-Einstein-Vorhersage aus derselben Analyse übereinstimmen, ist der beobachtete Anstieg der Beschleunigungen bei niedrigeren Beschleunigungen ein Rätsel. Interessanterweise wurde dieser Zusammenbruch der Newton-Einstein-Theorie bei schwächeren Beschleunigungen vor 40 Jahren vom theoretischen Physiker Mordehai Milgrom am Weizmann-Institut in Israel in einem neuen theoretischen Rahmen namens modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) oder im heutigen Sprachgebrauch Milgromsche Dynamik vorgeschlagen.
Verbindung zu MOND
Der Boost-Faktor von etwa 1,4 wird durch eine von Milgrom und dem verstorbenen Physiker Jacob Bekenstein vorgeschlagene Lagrange-Gravitationstheorie vom MOND-Typ namens AQUAL korrekt vorhergesagt. Bemerkenswert ist, dass der richtige Boost-Faktor den externen Feldeffekt von erfordert Milchstraße Galaxie, eine einzigartige Vorhersage der modifizierten Schwerkraft vom MOND-Typ. Somit deuten die breiten Binärdaten nicht nur auf den Zusammenbruch der Newtonschen Dynamik hin, sondern auch auf die Manifestation des externen Feldeffekts der modifizierten Schwerkraft.
Chaes Einsicht
Zu den Ergebnissen sagt Chae: „Es scheint unmöglich, dass eine Verschwörung oder ein unbekanntes System diese beschleunigungsabhängigen Zusammenbrüche der Standardschwerkraft gemäß AQUAL verursachen kann.“ Ich habe alle möglichen Systematiken untersucht, wie sie in dem ziemlich langen Artikel beschrieben sind. Die Ergebnisse sind echt. Ich gehe davon aus, dass die Ergebnisse in Zukunft durch bessere und umfangreichere Daten bestätigt und verfeinert werden. Aus Gründen der Transparenz und um allen interessierten Forschern zu dienen, habe ich auch alle meine Codes veröffentlicht.“
Auswirkungen und Einschränkungen
Im Gegensatz zu galaktischen Rotationskurven, bei denen die beobachteten erhöhten Beschleunigungen theoretisch der Dunklen Materie in der Newton-Einstein-Standardgravitation zugeschrieben werden können, kann die weite binäre Dynamik dadurch nicht beeinflusst werden, selbst wenn sie existierte. Die Standardschwerkraft bricht einfach in der schwachen Beschleunigungsgrenze gemäß dem MOND-Rahmen zusammen.
Die Auswirkungen der breiten binären Dynamik sind tiefgreifend für die Astrophysik, die theoretische Physik und die Kosmologie. Im 19. Jahrhundert beobachtete Anomalien in Merkurbahnen führten schließlich zu Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Jetzt erfordern Anomalien in weiten Doppelsternsystemen eine neue Theorie, die die allgemeine Relativitätstheorie auf die MOND-Grenze mit niedriger Beschleunigung ausdehnt.
Trotz aller Erfolge der Newtonschen Gravitation ist die allgemeine Relativitätstheorie für relativistische Gravitationsphänomene wie Schwarze Löcher und Schwarze Löcher erforderlich Gravitationswellen. Ebenso ist trotz aller Erfolge der Allgemeinen Relativitätstheorie eine neue Theorie für MOND-Phänomene in der schwachen Beschleunigungsgrenze erforderlich. Die Katastrophe der Schwerkraft mit schwacher Beschleunigung könnte eine gewisse Ähnlichkeit mit der Ultraviolettkatastrophe der klassischen Elektrodynamik haben, die zur Quantenphysik führte.
Revolution in der Physik
Große binäre Anomalien sind katastrophal für die Standardgravitation und die Kosmologie, die auf Konzepten der Dunklen Materie und Dunklen Energie beruhen. Da die Schwerkraft dem Mond folgt, wird eine große Menge dunkler Materie in Galaxien (und sogar im Universum) nicht mehr benötigt. Dies ist eine große Überraschung für Chae, der wie typische Wissenschaftler bis vor einigen Jahren an dunkle Materie „glaubte“.
Eine neue Revolution in der Physik scheint jetzt im Gange zu sein. Zu den aktuellen Ergebnissen und den Zukunftsaussichten sagt Milgrom: „Chaes Entdeckung ist das Ergebnis einer sehr aufwändigen Analyse aktueller Daten, die er, soweit ich das beurteilen kann, sehr akribisch und sorgfältig durchgeführt hat. Aber für einen so weitreichenden Befund – und er ist in der Tat sehr weitreichend – benötigen wir eine Bestätigung durch unabhängige Analysen, am besten mit besseren Zukunftsdaten. Wenn diese Anomalie als Zusammenbruch der Newtonschen Dynamik bestätigt wird und insbesondere wenn sie tatsächlich mit den einfachsten Vorhersagen von MOND übereinstimmt, wird sie enorme Auswirkungen auf die Astrophysik, die Kosmologie und die Grundlagenphysik im Allgemeinen haben.“
Peer-Meinungen
Xavier Hernandez, Professor an der UNAM in Mexiko, der vor einem Jahrzehnt erstmals breite binäre Tests der Schwerkraft vorschlug, sagt: „Es ist aufregend, dass die Abweichung von der Newtonschen Schwerkraft, die meine Gruppe seit einiger Zeit behauptet, nun unabhängig bestätigt wurde, und es ist beeindruckend, dass dies der Fall ist.“ Es wurde erstmals korrekt festgestellt, dass die Abweichung einem detaillierten MOND-Modell entspricht. Das Beispiellose Genauigkeit des Gaia-Satelliten, die große und sorgfältig ausgewählte Probe, die Chae verwendet, und seine detaillierte Analyse machen seine Ergebnisse ausreichend belastbar, um als Entdeckung zu gelten.“
Pavel Kroupa, Professor an der Universität Bonn und an der Karls-Universität in Prag, ist bezüglich des Gravitationsgesetzes zu den gleichen Schlussfolgerungen gekommen. Er sagt: „Mit diesem Test an weiten Doppelsternsystemen sowie unseren Tests an offenen Sternhaufen in der Nähe der Sonne deuten die Daten nun zwingend darauf hin, dass die Gravitation eher Milgrom- als Newtonsche Gravitation ist.“ Die Auswirkungen auf die gesamte Astrophysik sind immens.“
Das Ergebnis wurde in der Ausgabe vom 1. August 2023 veröffentlicht Der Astrophysikalisches Journal.
Referenz: „Breakdown of the Newton-Einstein Standard Gravity at Low Acceleration in Internal Dynamics of Wide Binary Stars“ von Kyu-Hyun Chae, 24. Juli 2023, Das Astrophysikalische Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ace101