[論文レビュー] Internal kinematics of GAIA DR3 wide binaries: anomalous behaviour in the low acceleration regime

X. Hernandez|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、分離距離 0.01 pc 以上の広義二重星の内部運動を、Gaia DR3 データを用いて分析した。その結果、加速度が小さい領域（a ≤ 2a₀、a₀ ≈ 1.2×10⁻¹⁰ m s⁻²）において、相対速度がニュートン的予測から逸脱していることが判明した。観測された速度分散のスケーリングは、バリオン性Tully-Fisher関係と一致しており、重力の修正（たとえば、重力の根本的限界）を示唆する非ニュートン的現象論が、隠れた第三星や測定誤差といった運動学的汚染要因よりも支持される。

ABSTRACT

The {\it Gaia} eDR3 catalogue has recently been used to study statistically the internal kinematics of wide binary populations using relative velocities of the two component stars, $ΔV$, total binary masses, $m_{B}$, and separations, $s$. For $s \gtrsim 0.01$ pc, these binaries probe the low acceleration $a \lesssim 2a_{0}$ regime where gravitational anomalies usually attributed to dark matter are observed in the flat rotation curves of spiral galaxies, where $a_{0}\approx 1.2 imes 10^{-10}$m s$^{-2}$ is the acceleration scale of MOND. Such experiments test the degree of generality of these anomalies, by exploring the same acceleration regime using independent astronomical systems of vastly smaller mass and size. A signal above Newtonian expectations has been observed when $a \lesssim 2a_{0}$, alternatively interpreted as evidence of a modification of gravity, or as due to kinematic contaminants; undetected stellar components, unbound encounters or spurious projection effects. Here I take advantage of the enhanced DR3 {\it Gaia} catalogue to perform a more rigorous study of the internal kinematics of wide binaries than what has previously been possible. Internally determined {\it Gaia} stellar masses and estimates of binary probabilities for each star using spectroscopic information, together with a larger sample of radial velocities, allow for a significant improvement in the analysis and careful exclusion of possible kinematic contaminants. Resulting $ΔV$ scalings accurately tracing Newtonian expectations for the high acceleration regime, but markedly inconsistent with these expectations in the low acceleration one, are obtained. A non-Newtonian low acceleration phenomenology is thus confirmed.

研究の動機と目的

• スパイラル銀河における低加速度領域での重力的異常が、はるかに小さい質量・サイズを持つ孤立した広義二重星系においても同様に観測されるかどうかを検証すること。
• 広義二重星におけるニュートン的運動論からの逸脱が、検出されない恒星の第三星や測定誤差といった運動学的汚染要因によって説明可能かどうかを特定すること。
• 分光的質量推定値と二重星確率評価を用いた改良された Gaia DR3 データを用いて、異常な速度信号の頑健性を評価すること。
• 相対速度のスケーリングが分離距離および全質量とどのように関係するかを評価し、修正ニュートン力学（MOND）との整合性を検証すること。
• 測定誤差の増幅や隠れた第三星の可能性といった代替ニュートン的説明を、きめ細かい誤差伝搬と統計的分析によって除外すること。

提案手法

• FLAME ワークパッケージから得られた分光的質量推定値と改良された径運動測定値を併用した、Gaia DR3 データのサブサンプルを用いた。
• 内部質量推定値と二重星確率評価を適用し、汚染要因を効果的に除外し、運動学的精度を向上させた。
• 報告された Gaia DR3 の不確実性を用いて誤差伝搬解析を実施し、相対速度測定値（ΔV）の信頼区間を定量化した。
• 分離距離（s）と全質量（mB）ごとに広義二重星系をボーリングし、低加速度領域（a ≤ 2a₀）における速度分散の傾向を分析した。
• 観測された ΔV のスケーリングをニュートン的予測とバリオン性Tully-Fisher関係（V_TF ∝ (GMa₀)^{1/4}）と比較し、逸脱の有無を検証した。
• 既存の調査から得た実証的制約を用いて、隠れた第三星のような運動学的汚染要因が、観測された ΔV と s、ΔV と mB の傾向を再現可能かどうかを検証した。

Figure 1: The grey dots show a sky plot of 95,899 binary pairs with $(D/$ pc $)<333$ , $(S/N)_{\varpi}>100$ and $(S/N)_{G}>5$ in each star, where all binary candidates having stars in common have already been discarded. The 1352 binary pairs within $(D/$ pc $)<125$ and further satisfying $RUWE<1.2$

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低加速度領域（a ≤ 2a₀）における広義二重星系は、相対速度分散がニュートン的予測から逸脱するか？
• RQ2 広義二重星で観測された異常な速度スケーリングは、検出されない恒星の第三星といったニュートン的運動学的汚染要因によって説明可能か？
• RQ3 観測された速度分散のスケーリングは、修正ニュートン力学（MOND）が予測するバリオン性Tully-Fisher関係（V_TF ∝ (GMa₀)^{1/4}）と整合するか？
• RQ4 報告された Gaia DR3 の不確実性と ΔV の信号対ノイズ比（S/N）は、誤差の増幅による信号の信頼性を支持するか？
• RQ5 広義二重星の分離距離と隠れた第三星系の頻度との間に、異常を説明する相関が実証的に存在するか？

主な発見

• 分離距離 s > 0.01 pc の広義二重星の相対速度分散（ΔV）は、低加速度領域（a ≤ 2a₀）において、ニュートン的予測から顕著に逸脱しており、期待されるケプラー的低下の代わりにプラトー状の挙動を示している。
• ΔV と分離距離 s、全質量 mB のスケーリングは、バリオン性Tully-Fisher関係（V_TF ∝ (GMa₀)^{1/4}）と整合しており、系の質量やサイズに依存しない普遍的なスケーリングが存在することを示唆している。
• きめ細かな誤差伝搬を実施した後も信号は依然として残っており、低加速度領域における平均S/Nは赤経方向で7.31、赤緯方向で7.53であり、誤差の増幅による速度の歪みはあり得ない。
• 観測された ΔV と s、ΔV と mB のスケーリングは、仮説的な隠れた第三星の集団によって再現できない。このようなモデルでは、分離距離の増加に伴い汚染が急激に消失する必要があり、これは実証的データに反する。
• 既存の調査（例：Tokovinin et al. 2002, 2010）では、第三星の頻度に二重星分離距離とのトレンドが認められず、隠れた第三星仮説をさらに弱体化させている。
• 結果は、低加速度領域における非ニュートン的現象論と整合しており、重力がこの領域でニュートン的運動論から逸脱する可能性を示唆しており、標準重力の根本的限界を示唆する。

Figure 2: Left(a): CMD for the stars in the 95,899 binaries mentioned in Fig. 1, shown as grey dots. The stars for the 1,352 binary pairs shown as black dots in Fig. 1 appear here as black dots. Right(b): CMD for the stars in the 688 binary pairs within the colour magnitude region selected to elimin