[論文レビュー] Robust Evidence for the Breakdown of Standard Gravity at Low Acceleration from Statistically Pure Binaries Free of Hidden Companions

Kyu‐Hyun Chae|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 9

ひとこと要約

本研究は Gaia DR3 ワイドバイナリ (N=2463) の f_multi=0 の統計的に純粋なサンプルを同定し、高加速度領域ではニュートン力学が成り立つ一方、低加速度領域で破れが見られ、MOND様の効果と一致する。

ABSTRACT

It is found that Gaia DR3 binary stars selected with stringent requirements on astrometric measurements and radial velocities naturally satisfy Newtonian dynamics without hidden close companions when projected separation $s \lesssim 2$ kau, showing that pure binaries can be selected. It is then found that pure binaries selected with the same criteria show a systematic deviation from the Newtonian expectation when $s \gtrsim 2$ kau. When both proper motions and parallaxes are required to have precision better than 0.005 and radial velocities better than 0.2, I obtain 2,463 statistically pure binaries within a `clean' $G$-band absolute magnitude range. From this sample, I obtain an observed to Newtonian predicted kinematic acceleration ratio of $γ_g=g_{ m{obs}}/g_{ m{pred}}=1.49^{+0.21}_{-0.19}$ for acceleration $\lesssim 10^{-10}$ m s$^{-2}$, in excellent agreement with $1.49\pm 0.07$ for a much larger general sample with the amount of hidden close companions self-calibrated. I also investigate the radial profile of stacked sky-projected relative velocities without a deprojection to the 3D space. The observed profile matches the Newtonian predicted profile for $s \lesssim 2$ kau without any free parameters but shows a clear deviation at a larger separation with a significance of $\approx 5.0σ$. The projected velocity boost factor for $s\gtrsim 5$ kau is measured to be $γ_{v_p} = 1.20\pm 0.06$ (stat) $\pm 0.05$ (sys) matching $\sqrt{γ_g}$. Finally, for a small sample of 40 binaries with exceptionally precise radial velocities (fractional error $<0.005$) the directly measured relative velocities in the 3D space also show a boost at larger separations. These results robustly confirm the recently reported gravitational anomaly at low acceleration for a general sample.

研究の動機と目的

• Gaia DR3 から隠れた近接伴星を持たない統計的に純粋なワイドバイナリサンプルを選定する。
• 低加速度領域全体で観測された運動加速度をニュートン予測と比較して重力を検証する。
• スタックされた速度プロファイルとモンテカルロ実現を用いて重力の偏差を定量化する。
• 質量-光度関係と離心分布の違いに対する頑健性を評価する。

提案手法

• 両成分の ruwe<1.2、相対的な PM および視差誤差 <0.005、距離の一致が 2σ 内、RV 誤差 <0.2、RV が連星軌道と一致することを条件としてクリーンな二重星サンプルを定義する。
• proper motions と距離から天球面上の相対速度 v_p を計算し、d_M を誤差加重距離として採用し、v_p=4.7404e-3 Δμ d を使用する。
• 天体物理の解析的およびモンテカルロの枠組みを用いて、天球投影距離 s、全質量 M_tot、傾斜 i、離心率 e、軌道位相に対するニュートン速度 v(s) および天球投影速度 v_p(s) を予測する（式12–17）。
• 観測された加速度 g_obs = v^2/r と g_N = GM_tot/r^2 を、加速度ビンごとにスタックされた速度プロファイルを用いて比較する。
• γ_g = g_obs/g_pred を導出し、外部場効果を介した MOND/AQUAL の予測との整合性を評価する。
• 異なる M_G–M 関係と離心分布（個別 e 対べきべきべき α によるべきべき）での頑健性を検討する。

Figure 1: This figure shows an AQUAL numerical (Chae & Milgrom, 2022 ) prediction on the internal gravitational field for circular orbits under the external field of the Milky Way as estimated in Chae ( 2023 ) . The numerical acceleration matches well the analytic asymptotic value when the external

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高加速度バイナリ (g ≳ 10^-8 m s^-2) に対して、 f_multi=0 の統計的に純粋なサンプルを用いたときにニュートン力学は成り立つか。
• RQ2 純粋なバイナリに対して低加速度領域 (g ≲ 10^-9 m s^-2) におけるニュートン力学からの統計的に有意な偏差はあるか。
• RQ3 低加速度領域での観測-ニュートン加速度比 γ_g はどの程度か、そしてそれは MOND 型の予測とどう比較されるか。
• RQ4 スタックされた天球投影速度プロファイルは、大きな分離での速度ブーストを示し、重力異常と一致するか。
• RQ5 質量-光度関係および離心分布の選択に対して結果は頑健か。

主な発見

• f_multi=0 の統計的に純粋な 2,463 本のサンプルは、高い加速度領域で δ_obs-newt が0と一致し、ニュートン力学がその領域で成り立つことを確認した。
• 低加速度では δ_obs-newt が非0となり、ニュートン力学の破れを示す；γ_g = g_obs/g_pred = 1.49^{+0.21}_{-0.19}（加速度が ≲ 10^-10 m s^-2 の場合）。
• 観測されたスタックされた天球投影速度プロファイルは s ≲ 2 kau ではニュートン予測と一致するが、より大きな分離では約 5σ の偏差を示す。
• s ≳ 5 kau での投影速度ブースト因子は γ_vp = 1.20 ± 0.06 (stat) ± 0.05 (sys)、 sqrt(γ_g) と一致する。
• 極めて精密な RV を持つ小さなサブセットの直接 3D 相対速度測定も、大きな分離でのブーストを示し、異常を裏付ける。
• 結果は低加速度での最近報告された一般サンプルの重力異常と一致し、Chae (2023) の前研究と一致している。

Figure 2: This figure shows the range of sky-projected separation $s$ corresponding to the Newton-MOND transition range in acceleration shown in Figure 1 . The inset shows the Keplerian prediction on the range of orbital periods for Gaia wide binaries used in Chae ( 2023 ) and this study.