Широкие двойные звезды, разделенные расстоянием больше 2000 астрономических единиц, — это уникальные природные лаборатории.

Они позволяют изучать гравитацию в условиях сверхслабого ускорения — меньше нанометра в секунду за секунду. Астрофизик Кю-Хён Чхэ из Университета Седжон (Сеул, Южная Корея) разработал новый метод измерения гравитации, использующий все три компоненты скорости звезд (3D-скорости).

Это серьезный шаг вперед по сравнению с прежними статистическими методами, которые опирались только на проекции скоростей на небесную плоскость (2D).

Новый подход основан на теореме Байеса и вычисляет распределение вероятностей параметра гравитации через метод Монте-Карло для цепей Маркова, анализируя относительную 3D-скорость звезд в паре.

Результаты опубликованы в издании The Astrophysical Journal.

Почему это важно

Ранние методы учитывали только проекции скоростей на небо и плохо справлялись с погрешностями, например, в массе звезд. Новый метод лишен этих ограничений. Как говорит сам Чхэ:

Это прорывной и, пожалуй, окончательный способ для широких двойных систем, где мы видим лишь 'моментальный снимок' орбиты. Из-за огромных периодов обращения (сотни тысяч лет) мы не можем проследить движение звезд — только зафиксировать их положение и скорость в один момент времени. Но теперь у нас есть инструмент, который извлекает максимум информации даже из таких данных.

Однако метод требует точных измерений лучевых скоростей (движения вдоль луча зрения).

Без этого — никак, — подчеркивает Чхэ.

Хавьер Эрнандес, первым предложивший тестировать гравитацию на широких двойных в 2012 году, называет работу Чхэ  «безупречным байесовским подходом, который станет новым стандартом в области».

Чхэ применил метод к 300 двойным системам из каталога Gaia (ESA). Точность лучевых скоростей в Gaia пока уступает точности проекций, но выводы уже совпадают с более ранними работами Чхэ и группы Эрнандеса.

Что обнаружилось

• При ускорениях >10 нм/с² гравитация ведет себя по Ньютону.
• При ускорениях <1 нм/с² (расстояния >2000 а.е.) — на 40–50% сильнее.

Отклонение от Ньютона достигает 4.2σ (вероятность случайности — 0.003%). Интересно, что аномалия совпадает с предсказаниями модифицированной ньютоновской динамики (MOND), предложенной Мордехаем Милгромом 40 лет назад.

Чхэ и его коллеги уже собирают более точные данные с телескопов (GEMINI, Las Cumbres), а Эрнандес проверяет системы на наличие скрытых третьих звезд, которые могли бы исказить результаты.

Чистые двойные — ключ к успеху, — говорит он.

Как заключает Павел Крупа (Университет Бонна):

Работа Чхэ выводит исследования на новый уровень. Данные все увереннее указывают на аномалию, согласующуюся с MOND. Это может перевернуть фундаментальную физику.

Сам Милгром добавляет:

Аномалия в галактиках списывается на темную материю, но в двойных звездах это не сработает. Если результат подтвердится — стандартная динамика рухнет.

Этот метод:

• Проверяет гравитацию в «тихой зоне» — там, где темная материя почти не влияет, но MOND предсказывает аномалии.
• Дает альтернативу галактическим наблюдениям, где сложнее отделить гравитацию от темной материи.
• Может привести к новой физике — если отклонение реально, придется менять либо законы Ньютона, либо наши представления о распределении массы в Галактике.

Главная слабость — зависимость от точности лучевых скоростей. Пока Gaia дает погрешность ~1 км/с, а для надежных выводов нужно ~0.1 км/с. Новые наблюдения исправят это, но выборка станет меньше.

Ранее ученые исследовали процесс формирования двойных звезд.