[论文解读] 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 9

一句话总结

该研究识别出一个统计上纯净的 Gaia DR3 宽双星样本 (N=2463)，f_multi=0，并发现牛顿引力在高加速度下成立，但在低加速度区间出现破缺，与 MOND 风格效应一致。

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.

研究动机与目标

• 从 Gaia DR3 中选择一个统计上纯净的宽双星样本，使其没有隐藏的近伴星。
• 通过将观测到的运动学加速度与牛顿预测在低加速度区间进行比较来测试引力。
• 使用叠加速度轮廓和蒙特卡洛实现来量化引力偏差。
• 评估对不同的质量-光度关系和离心率分布的鲁棒性。

提出的方法

• 通过要求两分量的 ruwe<1.2、相对视差与日角运动误差 <0.005、距离在 2σ 内一致、RV 误差 <0.2，以及 RV 与双星轨道一致，来定义一个干净的双星样本。
• 由时间印量和距离计算天平平里相对速度 v_p，从位移量中采用 d_M 作为误差加权距离，并使用 v_p=4.7404e-3 Δμ d。
• 使用解析和蒙特卡洛框架来预测牛顿速度 v(s) 和天空投影速度 v_p(s)，作为天空投影分离 s、总质量 M_tot、倾角 i、离心率 e，以及轨道相位的函数（方程式 12–17）。
• 将观测到的和牛顿预测的加速度 g_obs = v^2/r 与 g_N = GM_tot/r^2 进行比较，使用跨加速度区间的叠加速度轮廓。
• 推导 gamma_g = g_obs/g_pred，并通过外部场效应评估与 MOND/AQUAL 预测的一致性。
• 探索在不同的 M_G–M 与离心率分布下的鲁棒性（单独 e 与幂律 p(e; α)）。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用一个统计纯净且 f_multi=0 的样本时，高加速度双星（g ≳ 10^-8 m s^-2）是否仍符合牛顿引力？
• RQ2 对于纯双星，在低加速度区间（g ≲ 10^-9 m s^-2）是否存在统计上显著的偏离牛顿引力？
• RQ3 低加速度区间的观测到牛顿加速度比 γ_g 是多少，与 MOND 型预测相比如何？
• RQ4 叠加的天空投影速度轮廓在大分离处是否揭示出符合引力异常的速度提升？
• RQ5 结果是否对质量-光度关系和离心率分布的选择具有鲁棒性？

主要发现

• 一个含有 f_multi=0 的 2,463 对统计纯净双星的样本，在高加速度下 δ_obs-newt 与零一致，确认该区域的牛顿动力学。
• 在低加速度下，δ_obs-newt 非零，指示牛顿引力的破缺；γ_g = g_obs/g_pred = 1.49^{+0.21}_{-0.19} 对于加速度 ≲ 10^-10 m s^-2。
• 观测到的叠加天空投影速度轮廓在 s ≲ 2 kau 时与牛顿预测一致，但在较大分离时出现约 5σ 偏离。
• 当 s ≳ 5 kau 时，投影速度提升因子为 γ_vp = 1.20 ± 0.06 (stat) ± 0.05 (sys)，与 sqrt(γ_g) 一致。
• 来自少量具有非常精确 RV 的直接三维相对速度测量在大分离处也显示出提升，支持异常现象。
• 结果与近期对一般样本在低加速度下的引力异常报道相符，并与 Chae (2023) 的发现一致。

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.