[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究利用盖亚DR3数据，分析了分离距离大于0.01 pc的宽双星系统的内部运动学，发现在低加速度区（a ≤ 2a₀）相对速度偏离牛顿预测，其中a₀ ≈ 1.2×10⁻¹⁰ m s⁻²。观测到的速度 dispersion 缩放关系与重子Tully-Fisher关系一致，支持一种非牛顿现象学——可能暗示引力的修正——而非像隐藏第三星或测量误差等运动学污染源。

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.

研究动机与目标

• 检验在螺旋星系中低加速度下观测到的引力异常是否也出现在质量与尺寸小得多的孤立宽双星系统中。
• 确定宽双星中观测到的牛顿动力学偏离是否可由运动学污染源（如未检测到的伴星或测量误差）解释。
• 通过使用改进的盖亚DR3数据（包含光谱质量估计与双星概率评估）评估异常速度信号的稳健性。
• 评估观测到的相对速度与分离距离及总质量的缩放关系是否与修正牛顿动力学（MOND）一致，或是否需要新物理。
• 通过严格的误差传播与统计分析，排除隐藏第三星或误差放大导致的速度弥散等替代牛顿解释。

提出的方法

• 利用盖亚DR3数据，结合来自FLAME工作包的改进径向速度测量与光谱质量估计，对部分恒星子样本进行分析。
• 应用内部质量估计与双星概率评估，以剔除可能的污染源，提升运动学精度。
• 使用报告的盖亚DR3不确定性进行误差传播分析，量化相对速度测量（ΔV）的置信区间。
• 按分离距离（s）与总质量（mB）对宽双星系统进行分箱，分析低加速度区（a ≤ 2a₀）的速度弥散趋势。
• 将观测到的ΔV缩放关系与牛顿预期及重子Tully-Fisher关系（V_TF ∝ (GMa₀)^{1/4}）进行比较，以检验偏离。
• 通过现有巡天的实证约束，测试隐藏第三星等运动学污染源是否能重现观测到的ΔV与s及ΔV与mB的关系趋势。

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 $RUWE<1.2$

实验结果

研究问题

• RQ1 在低加速度区（a ≤ 2a₀）的宽双星系统是否表现出偏离牛顿预测的相对速度弥散？
• RQ2 宽双星中观测到的异常速度缩放是否可由牛顿运动学污染源（如未检测到的恒星伴星）解释？
• RQ3 观测到的速度弥散缩放是否与修正牛顿动力学（MOND）预测的重子Tully-Fisher关系一致？
• RQ4 报告的盖亚DR3不确定性与ΔV的信噪比（S/N）是否支持观测信号在误差放大下的稳健性？
• RQ5 是否存在宽双星分离距离与隐藏第三星系统频率之间相关性的实证证据，可解释该异常？

主要发现

• 在低加速度区（a ≤ 2a₀）内，分离距离s > 0.01 pc的宽双星系统的观测相对速度弥散（ΔV）显著偏离牛顿预测，表现出类似平台的特征，而非预期的开普勒式衰减。
• ΔV随分离距离s与总质量mB的缩放关系与重子Tully-Fisher关系V_TF ∝ (GMa₀)^{1/4}一致，表明该缩放具有普适性，与系统质量与尺寸无关。
• 即使经过严格的误差传播分析，该信号依然存在，低加速度区的平均信噪比分别为7.31（赤经方向）与7.53（赤纬方向），表明误差放大导致的速度异常解释极不可能。
• 观测到的ΔV与s及ΔV与mB的缩放关系无法由假设的隐藏第三星群体重现，因为此类模型需在分离距离增加时出现突兀且非物理的污染终止，与实证数据相悖。
• 现有巡天（如Tokovinin等，2002，2010）中未发现第三星频率与双星分离距离之间的趋势，进一步削弱了隐藏第三星假说。
• 结果与低加速度区的非牛顿现象学一致，支持引力在该区域可能偏离牛顿动力学，可能暗示标准引力存在根本性极限。

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