新研究挑战牛顿和爱因斯坦的引力理论

艺术家描绘的双星系统J0806

引力是吸引物体向地球的力量，也维持着行星围绕太阳的轨道运动。

我们对引力的科学理解是由艾萨克·牛顿于1687年建立的。牛顿的引力理论经受住了两个世纪的考验，直到阿尔伯特·爱因斯坦提出他的“广义相对论”，填补了牛顿引力理论中的空白。

尽管爱因斯坦引力理论的成功很多，但许多现象，如黑洞中的引力和引力波，仍无法解释。

最近，一项新研究发现了在低加速度下引力修改理论的直接证据。这项研究是由韩国世宗大学的Chae Kyu-Hyun教授完成的。Chae通过观测欧洲空间局Gaia空间望远镜收集的数据中宇宙结构“广域联星”的轨道行为得出了这一发现。

这一发现意义非凡，因为它指向一个与牛顿-爱因斯坦理论不同的新引力理论。

牛顿和爱因斯坦的引力理论

牛顿的引力理论在当时是革命性的。它成功解释了地球和地球之外的物体之间的吸引力，让我们对行星运动有了更深刻的理解。

然而，随着技术范围的扩大，牛顿的框架暴露出在解释复杂引力现象方面的不足。水星轨道的异常就是其中之一，这困惑了天文学家，表明该理论在解释极端引力条件下已不再适用。

然后，在1915年，爱因斯坦发表了他的杰作《广义相对论》。这一转型论重新将引力想象为时空本身的曲率，在宇宙舞蹈中统一了质量和能量。

爱因斯坦的引力理论解释了水星的轨道，并在日食期间解释了星光环绕巨大天体的偏折。然而，即使是爱因斯坦远见卓识的洞察力也无法面对宇宙深渊——黑洞，这里引力变得无穷大。

为弥补这些缺陷，科学家提出了暗物质的概念。这种隐蔽形式的物质是不可见的，因为它不与光交互作用，但可以通过其引力效应来观测它的存在。它被假设为解释观测到的引力效应与预测之间的差异。

但我们不知道暗物质的形式，也不知道它是否存在。

MOND: 牛顿动力学的修改

虽然暗物质可能解释了差异，但由于缺乏证据，许多科学家对此持怀疑态度。这导致了其他替代理论的提出。

1983年，以色列科学家Mordehai Milgrom首次提出了牛顿动力学的修改(MOND)。MOND可以解释这些银河异常，包括Chae观察到的异常。

MOND的基本前提是，在大多数日常情况下有效的牛顿引力，在极低加速度下可能表现出不同的行为。

这种偏离牛顿物理学的行为被认为发生在引力场很弱的时候。MOND认为，在这些低加速度下，引力不再遵循熟悉的平方反比定律，而呈现出不同的函数形式。

MOND的设想是通过修改牛顿引力来解释引力异常，如星系轨道速度，而不需要暗物质。

它认为加速度取决于质量和一个尺度相关的函数，这意味着引力的运作方式根据所研究的系统的大小或尺度而不同，有别于传统引力。

广域联星系统

Chae分析了Gaia望远镜收集的数据中650光年内的26500个全面联星系统。

广域联星系统由两颗相对遥远轨道的星星组成。Chae对这些系统的调查发现，在超低加速度下，观测到的加速度比传统预测高出30-40%，这表明标准引力可能发生了崩溃。

这一意外的加速度增强可以用Milgrom合著的AQUAL引力理论来解释，这标志着在弱加速度下标准引力崩溃的直接证据。

在新闻稿中，Chae解释了为什么选择研究这些系统:“从一开始，计算加速度似乎可以最直接、最有效地测试引力，因为引力场本身就是一个加速度。”

“我最近在星系自转曲线上的研究经历让我有了这个想法。虽然广域联星遵循高度椭圆轨道，而星系盘中的氢气粒子遵循近乎圆形的轨道，但它们的轨道有某些相似之处。”他说。

Chae的研究不仅挑战现状，也为更广泛地探索引力奥秘奠定了基础。他希望他的结果能够用更大、更好的数据集得到确认和改进。

这项研究发表在《天体物理学杂志》上。

研究摘要:

从Gaia DR3数据库中选取的距离、自行和可靠推断出恒星质量的广域联星动力学分析中，在弱引力加速度g_N ≲ 10⁻⁹m s⁻²下发现引力异常。需要隐含高阶多重性，多重性分数经校准，使联星内部运动在足够高的加速度约≈ 10⁻⁸ m s⁻²下与牛顿动力学统计一致。通过Monte Carlo方法，将观测到的投影速度和分离反推为3D的相对速度v和分离r，统计牛顿加速度g_N ≡ GM/r²(其中M为联星系统总质量)与运动学加速度g ≡ v²/r之间的关系，与牛顿动力学预测的对应关系进行比较。在≲10⁻⁹ m s⁻²下，经验加速关系系统性偏离牛顿预期。在g_N ≈ 10^−8.91和10^−10.15 m s⁻²下，观测加速度与牛顿预测之间的引力异常参数δ_obs−newt 分别测量为: δ_obs−newt = 0.034 ± 0.007和0.109 ± 0.013。这两个同向偏差代表了10σ的显著性。这一偏差代表了标准引力在弱加速下失效的直接证据。在g_N = 10^−10.15 m s⁻²时，观测与牛顿预测的加速度之比为g_obs/g_pred = 10^{√2 δ_obs-newt} = 1.43 ± 0.03。这种系统偏差与AQUAL理论在圆形轨道下预测的运动加速度的增强因子相吻合。

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