Un estudio de los movimientos orbitales de grandes binarios encontró evidencia de que la gravedad estándar decae a bajas aceleraciones. Este descubrimiento se alinea con una teoría modificada llamada MOND y desafía los conceptos actuales de materia oscura. Las implicaciones para la astrofísica, la física y la cosmología son profundas, y los expertos en el campo han reconocido los resultados como un descubrimiento importante.

Un nuevo estudio reporta evidencia concluyente de que la gravedad estándar rompe el límite de baja aceleración, como resultado de un análisis verificable de los movimientos orbitales de estrellas binarias ampliamente separadas y de largo período. Estas estrellas se conocen comúnmente como binarias amplias en astronomía y astrofísica. El estudio fue realizado por Kyu-Hyun Chae, profesor de física y astronomía en la Universidad de Sejong en Seúl, y utilizó hasta 26.500 binarios anchos dentro de 650 años luz (LY), observados por el Telescopio Espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea.

Metodología

Para una mejora significativa con respecto a otras investigaciones, el estudio de Chae se centró en calcular las aceleraciones gravitatorias experimentadas por las estrellas binarias en función de su separación o, de manera equivalente, el período orbital. Esto se logró mediante una deproyección de Monte Carlo de los movimientos observados proyectados en el cielo en un espacio tridimensional.

Chae explica: “Desde el principio, me quedó claro que la gravedad podía probarse de manera más directa y eficiente calculando las aceleraciones, porque el campo gravitatorio en sí mismo es una aceleración. Mis experiencias recientes investigando las curvas de rotación galáctica me llevaron a esta idea. Los discos galácticos y los binarios anchos comparten cierta similitud en sus órbitas, aunque los binarios anchos siguen órbitas muy alargadas, mientras que las partículas de gas hidrógeno en un disco galáctico siguen órbitas casi circulares.

Además, Chae calibró la tasa de ocurrencia de binarios anidados internos ocultos a una aceleración de referencia, a diferencia de otros estudios.

Izquierda: Un sistema estelar binario con un binario anidado interno (Crédito: Wikipedia). Derecha: Anomalía gravitatoria de baja aceleración observada en 20 000 binarias anchas Crédito: Kyu-Hyun Chae

Resultados

El estudio revela que cuando dos estrellas giran una alrededor de la otra con aceleraciones de menos de un nanómetro por segundo cuadrado, comienzan a desviarse de las predicciones de la ley de gravitación universal de Newton y la relatividad general de Einstein. Para aceleraciones inferiores a unos 0,1 nanómetros por segundo al cuadrado, la aceleración observada es un 30-40% mayor que la predicción de Newton-Einstein. La importancia es considerable y cumple con los criterios clásicos de 5 sigma para un descubrimiento científico. En una muestra de 20 000 intervalos de ancho dentro de un límite de distancia de 650 LY, dos intervalos de aceleración independientes muestran, respectivamente, desviaciones de más de 5 sigma significativo en la misma dirección.

Dado que las aceleraciones observadas por encima de unos 10 nanómetros por segundo al cuadrado concuerdan bien con la predicción de Newton-Einstein del mismo análisis, el aumento observado en las aceleraciones a aceleraciones más bajas es un misterio. Curiosamente, esta descomposición de la teoría de Newton-Einstein a aceleraciones más bajas fue sugerida hace 40 años por el físico teórico Mordehai Milgrom del Instituto Weizmann en Israel en un nuevo marco teórico llamado Dinámica newtoniana modificada (MOND) o Dinámica milgromiana de uso común.

Iniciar sesión en MOND

El factor de amplificación de alrededor de 1,4 se predice correctamente mediante una teoría de la gravedad lagrangiana similar a MOND llamada AQUAL, propuesta por Milgrom y el difunto físico Jacob Bekenstein. Lo notable es que el factor de amplificación correcto requiere el efecto de campo externo del vía Láctea galaxia, una predicción de gravedad modificada única similar a MOND. Por lo tanto, los amplios datos binarios indican no solo el desglose de la dinámica newtoniana sino también la manifestación del efecto de campo externo de la gravedad modificada.

Perspicacia de Chae

De los resultados, Chae dice: “Parece imposible que cualquier conspiración o sistemática desconocida pueda causar estas fallas estándar dependientes de la aceleración de la gravedad de acuerdo con AQUAL. Miré todas las sistemáticas posibles como se describe en el artículo bastante largo. Los resultados son genuinos. Anticipo que los resultados serán confirmados y refinados con datos mejores y más importantes en el futuro. También he publicado todos mis códigos en aras de la transparencia y para servir a cualquier investigador interesado.

Implicaciones y limitaciones

A diferencia de las curvas de rotación galáctica, donde las aceleraciones amplificadas observadas pueden atribuirse teóricamente a la materia oscura en la gravedad estándar de Newton-Einstein, la amplia dinámica binaria no puede verse afectada incluso si existiera. La gravedad estándar simplemente se descompone en el límite de aceleración débil según el marco MOND.

Las implicaciones de la dinámica binaria extendida son profundas para la astrofísica, la física teórica y la cosmología. Las anomalías en las órbitas de Mercurio observadas en el siglo XIX finalmente llevaron a la relatividad general de Einstein. Ahora, las anomalías en los grandes binarios exigen una nueva teoría que extienda la relatividad general al límite MOND de baja aceleración.

A pesar de todos los éxitos de la gravedad de Newton, la relatividad general es necesaria para los fenómenos gravitacionales relativistas como los agujeros negros y ondas gravitacionales. De manera similar, a pesar de todos los éxitos de la relatividad general, se necesita una nueva teoría para los fenómenos MOND en el límite de bajas aceleraciones. La catástrofe de aceleración de baja gravedad puede tener alguna similitud con la catástrofe ultravioleta de la electrodinámica clásica que condujo a la física cuántica.

Revolución en la física

Las anomalías binarias grandes son desastrosas para la gravedad estándar y la cosmología que se basan en conceptos de materia oscura y energía oscura. Dado que la gravedad sigue a MOND, ya no se necesita una gran cantidad de materia oscura en las galaxias (e incluso en el universo). Esta es una sorpresa significativa para Chae quien, como los científicos típicos, «creía» en la materia oscura hasta hace unos años.

Ahora parece estar en marcha una nueva revolución en la física. Con respecto a los resultados actuales y las perspectivas futuras, Milgrom dice: «El descubrimiento de Chae es el resultado de un análisis muy complejo de datos de última generación que, por lo que sé, llevó a cabo de forma muy meticulosa y cuidadosa. Pero para un hallazgo de tan largo alcance, y de hecho es uno de muy largo alcance, necesitamos la confirmación mediante análisis independientes, preferiblemente con mejores datos futuros. Si esta anomalía se confirma como una ruptura de la dinámica newtoniana, y especialmente si está de acuerdo con las predicciones más simples de MOND, tendrá enormes implicaciones para la astrofísica, la cosmología y la física fundamental en general.

opiniones de los compañeros

Xavier Hernandez, profesor de la UNAM en México, quien sugirió por primera vez pruebas amplias de gravedad binaria hace una década, dice: «Es emocionante que la desviación de la gravedad newtoniana que mi grupo afirma durante algún tiempo ahora se haya confirmado de forma independiente, e impresionante que esta desviación ha sido identificado correctamente por primera vez como una coincidencia precisa con un patrón MOND detallado. lo sin precedentes precisión del satélite Gaia, la gran muestra meticulosamente seleccionada que usa Chae y su análisis detallado hacen que sus resultados sean lo suficientemente sólidos como para calificar como un descubrimiento.

Pavel Kroupa, profesor de la Universidad de Bonn y la Universidad Charles de Praga, llegó a las mismas conclusiones con respecto a la ley de la gravitación. Él dice: “Con esta prueba en grandes binarios, así como nuestras pruebas en cúmulos abiertos de estrellas cerca del Sol, los datos ahora implican de manera convincente que la gravitación es milgromiana en lugar de newtoniana. Las implicaciones para toda la astrofísica son inmensas.

El resultado se publicó en la edición del 1 de agosto de 2023 de EL Diario astrofísico.

Referencia: «Desglose de la gravedad estándar de Newton-Einstein a baja aceleración en la dinámica interna de estrellas binarias anchas» por Kyu-Hyun Chae, 24 de julio de 2023, El diario astrofísico.
DOI: 10.3847/1538-4357/ace101