宽双星内部动力学中低加速度下牛顿-爱因斯坦标准引力的失效

从 Gaia DR3 数据库中选取的、具有精确距离、自行和可靠推断恒星质量的宽双星动力学分析中,发现在弱引力加速度 $g_{\rm{N}} < 10^{-9}$ m s$^{-2}$ 处存在引力异常。需要隐含的高阶多重性,并对多重性比例进行校准,以使双星内部运动在足够高的 $10^{-8}$ m s$^{-2}$ 加速度下与牛顿动力学统计一致。通过蒙特卡洛方法将观测到的天球投影运动与间距反投影为三维相对速度 $v$ 与间距 $r$,并将牛顿加速度 $g_{\rm{N}} \equiv GM/r^2$(其中 $M$ 为双星系统总质量)与运动学加速度 $g \equiv v^2/r$ 之间的统计关系与牛顿动力学相应预测进行比较。在 $< 10^{-9}$ m s$^{-2}$ 处的经验加速度关系系统性偏离牛顿预期。在 $g_{\rm{N}}\approx10^{-8.91}$ 与 $10^{-10.15}$ m s$^{-2}$ 处,观测加速度与牛顿预测之间的引力异常参数 $\delta_{\rm{obs-newt}}$ 测得为:$\delta_{\rm{obs-newt}}= 0.034\pm 0.007$ 与 $0.109\pm 0.013$(基于 200 pc 内 26,615 颗宽双星的主样本)。这两个同向偏差代表 $10\sigma$ 显著性。该偏差代表了弱加速度下标准引力失效的直接证据。在 $g_{\rm{N}}=10^{-10.15}$ m s$^{-2}$ 处,观测与牛顿预测加速度之比为 $g_{\rm{obs}}/g_{\rm{pred}}=10^{\sqrt{2}\delta_{\rm{obs-newt}}}=1.43\pm 0.06$。该系统性偏差与 AQUAL 理论在银河系外场下圆周轨道运动学加速度所预测的增强因子一致。