Estratto della pubblicazione
La relatività generale è la teoria relativistica standard della gravità con il suo limite non relativistico che corrisponde alla legge dell’inverso del quadrato della forza gravitazionale di Newton, o all’equazione di Poisson.
La teoria standard di Newton-Einstein soddisfa il principio di equivalenza forte e non consente alcun effetto di campo esterno nella dinamica interna di un sistema autogravitante che cade liberamente sotto un campo esterno uniforme.
La deviazione osservata della cinematica interna delle galassie e degli ammassi di galassie dalla previsione newtoniana è solitamente attribuita alla materia oscura (DM), una sostanza di cui si suppone l’esistenza sulla base dei dati ma che ancora non è stata identificata. Questa è stata l’interpretazione più popolare dei dati astronomici supportati dalla “giusta” quantità di DM nell’universo dedotta dalla cosmologia standard basata sulla relatività generale.
L’anomalia gravitazionale trovata in questo studio ha molte profonde implicazioni per la fisica teorica e la cosmologia.
Prima di tutto, l’anomalia gravitazionale nella dinamica delle stelle binarie non può essere attribuita alla materia oscura perché la quantità richiesta è assurda, e quindi non c’è modo di salvare la teoria standard della gravità. Poiché la dinamica newtoniana crolla nel regime di bassa accelerazione, anche la relatività generale di Einstein deve crollare nello stesso regime.
Quando i dati cinematici delle binarie larghe vengono analizzati nel piano di accelerazione, i dati rivelano una firma inequivocabile ed estremamente forte della rottura della gravità standard di Newton-Einstein a debole accelerazione ≲ 10 −9 ms −2 . Ciò che è ancora più sorprendente è che la tendenza e l’entità dell’anomalia gravitazionale concordano con quanto previsto dalla teoria AQUAL. La teoria AQUAL è stata proposta quasi 40 anni fa come una modifica dell’equazione di Poisson del potenziale gravitazionale newtoniano.
Decenni dopo la sua proposta, il mondo ha recentemente visto l’avvento di interessanti teorie relativistiche con i loro limiti non relativistici corrispondenti a un’equazione di Poisson modificata. In particolare, Skordis & Zlośnik hanno proposto la teoria Aether Scalar Tensor (AeST), che è promettente in quanto è possibile spiegare l’anisotropia del fondo cosmico a microonde e i dati della struttura su larga scala.
Questa direzione teorica può ora essere sempre più fortemente fondata sull’evidenza empirica diretta dei risultati attuali. Un recente studio di Mistele ha mostrato che le previsioni della teoria AeST concordano ampiamente con i risultati di questo lavoro.
Con i successivi rilasci di dati di Gaia sono attesi risultati ancora più forti di quelli attuali. Considerando l’importanza delle eccentricità, una migliore determinazione delle eccentricità sarà utile per migliorare i risultati attuali. Inoltre, una migliore determinazione della molteplicità in binari separati molto ampiamente (≳5 kau) sarà utile per vincolare meglio la modellazione.
In questo studio, è stata considerata l’anomalia prevista da AQUAL δ AQUAL−Newton solo per gli obit circolari e la modellazione dell’orbita ellittica AQUAL è stata eseguita solo con una semplificazione pseudo-newtoniana. La modellazione numerica realistica è necessaria per completare un test di precisione di teorie specifiche in futuro.
Implicazione dello studio
Un’anomalia gravitazionale della gravità standard nel limite di bassa accelerazione è stata riportata in un nuovo studio che potrebbe rimodellare radicalmente la nostra comprensione dell’universo.
Lo studio, condotto dal professore di fisica e astronomia della Sejong University Kyu-Hyun Chae, ha scoperto che l’accelerazione standard dovuta alla gravità, che descrive l’accelerazione di un oggetto in caduta libera come influenzata dall’attrazione gravitazionale di un corpo più grande come la Terra, appare anomala nel limite basso di accelerazione basato sull’analisi di Chae della dinamica delle stelle binarie larghe.
Chae si è basato sui dati di quasi 26.500 di tali accoppiamenti di binari larghi raccolti dai dati ottenuti dall’osservatorio spaziale Gaia dell’Agenzia spaziale europea, ora incluso nel database Gaia DR3.
Sulla base delle scoperte di Chae, le stelle binarie in orbita l’una rispetto all’altra che possiedono basse accelerazioni vicine a un nanometro al secondo quadrato hanno mostrato un comportamento incoerente con la relatività generale, così come con la legge di gravità di Newton.
“Fin dall’inizio mi è sembrato chiaro che la gravità potesse essere testata in modo più diretto ed efficiente calcolando le accelerazioni perché il campo gravitazionale stesso è un’accelerazione“, ha detto Chae in un recente comunicato rilasciato dalla Sejong University che annunciava i risultati.
Chae afferma che l’impulso per il suo nuovo studio è venuto da precedenti studi che aveva intrapreso coinvolgendo le curve di rotazione galattica.
“I dischi galattici e le binarie larghe condividono alcune somiglianze nelle loro orbite“, dice Chae, “sebbene le binarie larghe seguano orbite molto allungate mentre le particelle di idrogeno gassoso in un disco galattico seguono orbite quasi circolari“.
Chae riferisce che le binarie larghe con basse accelerazioni di circa 0,1 nanometri al secondo quadrato mostrano un’accelerazione che è circa il 30-40% maggiore di quanto previsto dalla relatività generale o dalla legge di gravità di Newton.
In contrasto con il misterioso “boost” nelle accelerazioni inferiori che Chae ha trovato c’è l’osservazione che le accelerazioni superiori a 10 nanometri al secondo quadrato si comportano in accordo con le teorie di Newton ed Einstein. Tuttavia, questa non è la prima volta che viene proposta la scomposizione della gravità standard ad accelerazioni inferiori: quattro decenni fa, il fisico teorico Mordehai Milgrom propose per la prima volta questa idea, dando origine a una controversa teoria nota come dinamica newtoniana modificata (MOND), nota anche come dinamica milgromiana, che offre una potenziale alternativa alle attuali teorie cosmologiche che coinvolgono la materia oscura.
Chae nota anche l’osservazione di un fattore di spinta di 1,4, che secondo lui è correttamente previsto da una simile teoria alternativa della gravità chiamata AQUAL proposta da Milgrom insieme al defunto fisico Jacob Bekenstein. Questo, dice Chae, sembra essere coerente con le deviazioni osservate che, secondo lui, “rappresentano una prova diretta della rottura della gravità standard a debole accelerazione“.
“Questa deviazione sistematica concorda con il fattore di spinta che la teoria AQUAL prevede per le accelerazioni cinematiche nelle orbite circolari sotto il campo esterno galattico“, ha scritto Chae in un recente articolo peer-reviewed che dettaglia le sue scoperte. In altre parole, i dati delle osservazioni della binaria larga apparentemente trasmettono sia la rottura della dinamica newtoniana sia l’effetto del campo esterno previsto in accordo con la gravità modificata.
Un altro elemento chiave delle scoperte di Chae ha a che fare con l’osservazione teorica che le dinamiche delle binarie larghe non dovrebbero essere influenzate dalla presenza di materia oscura, a differenza delle curve di rotazione galattica. Sulla base delle osservazioni di Chae, il quadro MOND è la migliore spiegazione per la rottura osservata della gravità standard.
Questa scoperta, in particolare, ha implicazioni potenzialmente profonde, dato che le anomalie osservate in relazione alle binarie larghe possono indicare la necessità di una nuova teoria che consenta di estendere la relatività generale per tenere conto del limite MOND di bassa accelerazione e potrebbe potenzialmente ribaltare il precedente teorie cosmologiche che incorporano materia oscura ed energia oscura.
Nel suo recente studio, Chae scrive che “l’anomalia gravitazionale nella dinamica delle stelle binarie non può essere attribuita alla materia oscura perché la quantità richiesta per giustificarla sarebbe assurda, e quindi non c’è modo di salvare la teoria standard della gravità“.
“Poiché la dinamica newtoniana si rompe nel regime di bassa accelerazione“, aggiunge Chae, “anche la relatività generale di Einstein deve crollare nello stesso regime“.
Mordehai Milgrom, quando gli è stato chiesto se le controverse scoperte di Chae offrissero una nuova verifica delle idee da lui proposte per la prima volta decenni fa, ha convenuto che il nuovo studio potrebbe dimostrare di avere profonde implicazioni per le teorie cosmologiche esistenti.
“Se questa anomalia viene confermata come una rottura della dinamica newtoniana, e soprattutto se concorda davvero con le previsioni più dirette di MOND, avrà enormi implicazioni per l’astrofisica, la cosmologia e per la fisica fondamentale in generale“, ha detto Milgrom in un comunicato stampa che dettaglia le scoperte di Chae.
“Con questo test sulle binarie larghe così come i nostri test sugli ammassi stellari aperti vicino al sole, i dati ora implicano in modo convincente che la gravitazione è milgromiana piuttosto che newtoniana“, ha affermato Pavel Kroupa, professore all’Università di Bonn e sostenitore della teoria di gravità milgromiana.
“Le implicazioni per tutta l’astrofisica sono immense“, ha aggiunto Kroupa.
Chae afferma di ritenere che ulteriori conferme delle sue scoperte arriveranno negli anni a venire con l’accumulo di dati migliori e più raffinati. Per ora, però, le prove sembrano indicare una conclusione che sta diventando sempre più difficile da ignorare.
“Ho esaminato tutte le possibili sistematiche descritte nel lungo documento che ho pubblicato“, afferma Chae.
“I risultati sono genuini“.
L’articolo di Chae, “Breakdown of the Newton-Einstein Standard Gravity at Low Acceleration in Internal Dynamics of Wide Binary Stars“, è stato pubblicato su The Astrophysical Journal il 24 luglio.
