Un estudio de los movimientos orbitales de grandes binarios encontró evidencia de que la gravedad estándar se descompone 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 significativo.

Un nuevo estudio informa evidencia concluyente de la ruptura de la gravedad estándar en el límite de baja aceleración, derivada de un análisis verificable de los movimientos orbitales de estrellas binarias ampliamente separadas y de período largo. Estas estrellas se denominan comúnmente 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 en 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 proyectados desde el cielo observado en un espacio tridimensional.

Chae explica: “Desde el principio, me pareció claro que la gravedad podría probarse de manera más directa y eficiente calculando las aceleraciones porque el campo gravitatorio en sí mismo es una aceleración. Mis recientes experiencias de investigación con 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 internos anidados ocultos en una aceleración de referencia, a diferencia de otros estudios.

Izquierda: Un sistema estelar binario con un binario interno anidado (crédito: Wikipedia). Derecha: Anomalía gravitacional a baja aceleración observada en 20 000 binarios anchos Crédito: Kyu-Hyun Chae

descubrimientos

El estudio revela que cuando dos estrellas se orbitan entre sí 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 aproximadamente 0,1 nanómetros por segundo al cuadrado, la aceleración observada es entre un 30 y un 40 por ciento mayor que la predicción de Newton-Einstein. La importancia es considerable, ya que cumple con los criterios convencionales de 5 sigma para un descubrimiento científico. En una muestra de 20 000 intervalos anchos dentro de un límite de distancia de 650 LY, dos intervalos de aceleración independientes, respectivamente, muestran desviaciones de más de 5 sigma de la significación en la misma dirección.

Dado que las aceleraciones observadas superiores a 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, este desglose de la teoría de Newton-Einstein en aceleraciones más débiles fue sugerido 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 en uso actual.

Conexión con MOND

El factor de empuje de alrededor de 1,4 se predice correctamente mediante una teoría de la gravedad lagrangiana de tipo MOND llamada AQUAL, propuesta por Milgrom y el difunto físico Jacob Bekenstein. Lo que es notable es que el factor de refuerzo correcto requiere el efecto de campo externo del Vía Láctea galaxia, una predicción de gravedad modificada de tipo MOND única. 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.

la visión de chae

De los resultados, Chae dice: “Parece imposible que una conspiración o una sistemática desconocida puedan causar estos accidentes estándar dependientes de la aceleración de la gravedad según AQUAL. Examiné 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 mejores y más grandes datos en el futuro. También he publicado todo mi código en aras de la transparencia y para servir a cualquier investigador interesado”.

Implicaciones y limitaciones

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

Las implicaciones de la dinámica binaria amplia 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 binarios grandes requieren 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. Asimismo, a pesar de todos los éxitos de la relatividad general, se necesita una nueva teoría para los fenómenos MOND en el límite débil de aceleración. La catástrofe de aceleración débil de la gravedad puede tener cierta semejanza con la catástrofe ultravioleta de la electrodinámica clásica que condujo a la física cuántica.

revolución en la física

Las anomalías binarias amplias 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.

Una nueva revolución en la física parece estar en marcha. Sobre los resultados actuales y las perspectivas futuras, Milgrom dice: “El descubrimiento de Chae es el resultado de un análisis muy atractivo de datos de vanguardia que, por lo que puedo juzgar, llevó a cabo con gran meticulosidad y cuidado. Pero para un hallazgo tan completo, y de hecho es muy completo, requerimos la confirmación mediante un análisis independiente, preferiblemente con mejores datos futuros. Si esta anomalía se confirma como un colapso de la dinámica newtoniana, y especialmente si realmente concuerda con las predicciones más directas de MOND, tendrá enormes implicaciones para la astrofísica, la cosmología y la física fundamental en general».

opiniones de los compañeros

Xavier Hernández, profesor de la UNAM México, quien sugirió por primera vez extensas pruebas binarias de la gravedad hace una década, dice: «Es emocionante que la desviación de la gravedad newtoniana que mi grupo afirmó durante algún tiempo haya sido confirmada de manera independiente e impresionante que esta coincidencia era para la primera vez que se identificó correctamente como que coincidía con precisión con un modelo MOND detallado. lo inédito precisión del satélite Gaia, la muestra grande y 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 sobre la ley de la gravitación. Él dice: “Con esta prueba en grandes binarios, así como nuestras pruebas en cúmulos estelares abiertos 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 descubrimiento fue publicado en la edición del 1 de agosto de 2023 de O 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