Astronomi po svetu že več let vse bolj pozorno opazujejo posebne zvezdne pare, imenovane široke dvojne zvezde – sisteme, v katerih se dve zvezdi vrtita druga okoli druge na izjemno velikih razdaljah. Od tretje objave podatkov misije Gaia leta 2022 so prav ti sistemi postali nepričakovano zanimivo orodje za preverjanje temeljnih zakonov gravitacije.
Razlog je preprost, a hkrati provokativen. Široke dvojne zvezde delujejo v tako imenovanem režimu nizkega pospeška, kjer so gravitacijske sile izjemno šibke – šibkejše od približno 1 nanometra na sekundo na kvadrat. Prav v tem območju pa se že desetletja pojavljajo največja vprašanja sodobne astrofizike, saj se gibanje zvezd v galaksijah tam ne ujema povsem z napovedmi klasične Newtonove gravitacije.
Pri galaksijah znanstveniki te razlike pogosto razlagajo s prisotnostjo temne snovi. A široke dvojne zvezde so v tem pogledu nekaj posebnega. So neprimerno manjše od galaksij, hkrati pa na njihovo notranjo dinamiko temna snov po trenutnih teorijah ne more vplivati. Kot poudarjajo raziskovalci, to pomeni, da ponujajo skoraj „čist laboratorij“ za preverjanje same gravitacije.
Če se izkaže, da se široke dvojne zvezde obnašajo povsem v skladu z Newtonovimi zakoni, bi to okrepilo razlago, da so galaktične anomalije res posledica temne snovi. Če pa bi se pojavile odstopanja, bi to pomenilo nekaj precej bolj radikalnega – neposreden dokaz, da standardna gravitacija v režimu nizkega pospeška morda ne velja.
Zakaj so tridimenzionalne meritve prelomne
Do nedavnega so znanstveniki gibanje širokih dvojnih zvezd lahko spremljali le delno, in sicer v dveh dimenzijah, na podlagi tako imenovanih lastnih gibanj na nebu. Zdaj pa se razmere hitro spreminjajo. Več raziskovalnih skupin je začelo uporabljati visokoločljivostna spektroskopska opazovanja, ki omogočajo tudi merjenje hitrosti v smeri proti ali stran od opazovalca.
S tem so na voljo natančne tridimenzionalne hitrosti, kar pomeni velik korak naprej. Na tej osnovi članek, objavljen v reviji Astrophysical Journal Letters, predstavlja nov algoritem za merjenje gravitacije iz 3D gibanj širokih dvojnih zvezd, ki bistveno izboljšuje prejšnji pristop iz leta 2025.
Avtor študije, Kyu-Hyun Chae z Univerze Sejong v Seulu, pojasnjuje, da algoritem izhaja iz klasičnih zakonov gibanja. „Če širok binarni sistem uboga Newtonovo gravitacijo in s tem tudi splošno relativnost, potem mora slediti Keplerjevim zakonitostim,“ razlaga. „Ker prvi Keplerjev zakon pravi, da so orbite eliptične, algoritem to predpostavko uporabi kot izhodišče.“
Ključ pa se skriva v drugem Keplerjevem zakonu. Ta določa, da se zvezdi po orbiti ne gibljeta enakomerno, temveč se dlje zadržujeta v fazi, ko sta najbolj oddaljeni – v tako imenovanem apastronu. „To pomeni, da ima široka dvojna zvezda veliko večjo verjetnost, da jo ujamemo v tej fazi kot v periastronu, kjer sta zvezdi najbližje,“ poudarja Chae.
Na tej podlagi je mogoče preveriti, ali gravitacijski parameter, izpeljan iz opazovanj, ustreza Newtonovi konstanti – ali pa kaže na odstopanja.
Prvi rezultati in previdni sklepi
Chae je metodo preizkusil v pilotni študiji 32 širokih dvojnih zvezd. Četrtina jih je delovala v režimu nizkega pospeška, preostale pa v režimu višjega pospeška. Meritve so bile izjemno natančne, z napakami, manjšimi od nekaj deset metrov na sekundo.
Rezultati kažejo zanimiv vzorec. Zvezdni sistemi v režimu nizkega pospeška kažejo gravitacijsko anomalijo, medtem ko pri ostalih takšnih odstopanj ni zaznati. Statistična značilnost presega 3,5 sigma, kar pomeni več kot 99,95-odstotno verjetnost, da učinek ni naključen.
Vendar Chae opozarja na previdnost. Signal še ne dosega praga 5 sigma, poleg tega na rezultat močno vpliva en sam sistem, ki ga sestavljata zvezdi HD 189739 in HD 189760. „To pomeni, da so izsledki obetavni, a začasni,“ poudarja.
Raziskovalci zato že pripravljajo večje vzorce širokih dvojnih zvezd, ki bi lahko prinesli dokončen odgovor. Po Chaejevih besedah je le še vprašanje časa, kdaj bo z dovolj natančnimi tridimenzionalnimi podatki jasno, ali široke dvojne zvezde dosledno sledijo Newtonovim zakonitostim – ali pa nakazujejo potrebo po nestandardni razlagi gravitacije, kot je modificirana Newtonova dinamika, ki jo je predlagal Milgrom.
