C. Carreau / ESA
Астрономы впервые использовали наблюдения звезд на орбите сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути для поиска изменения постоянной тонкой структуры — фундаментальной физической константы, описывающей силу электромагнитного взаимодействия. На уровне тысячных долей процента вариаций величины найдено не было, что говорит об отсутствии с соответствующей точностью неизвестных поправок к установленным законам физики вблизи черных дыр, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.
Основу современной физики формируют такие идеи, как общая теория относительности (ОТО) и Стандартная модель (СМ) элементарных частиц. Согласно представлениям этих концепций, существуют фундаментальные константы природы, которые не изменяются ни во времени, ни в пространстве. К таким величинам относятся скорость света в вакууме, постоянная Планка, заряды и массы элементарных частиц и ряд других.
Теоретики не сомневаются в ограниченной применимости ОТО и СМ, поэтому исследование возможных отклонений от них является важным направлением поисков «новой физики». В частности, существует множество обобщающих современные теории гипотез, в которых фундаментальные константы могут меняться, например, по мере старения Вселенной или в экстремальных условиях, таких как мощные гравитационные поля вблизи черных дыр. Следовательно, для проверки таких идей требуется нахождение искомых отклонений.
В большинстве случаев непосредственно измерять наиболее фундаментальные константы затруднительно, но некоторые наблюдаемые величины сильно зависят от их комбинаций. Так, спектры атомов и молекул определяются интенсивностью электромагнитного взаимодействия между электронами и ядрами, которое характеризуется постоянной тонкой структуры α ≈ 1/137. Изменение значения α приведет к смещению всех линий в спектрах. В свою очередь, саму величину α можно выразить через заряд электрона, постоянную Планка и скорость света в вакууме. Существует множество работ, посвященных поиску изменений α, как правило, со временем, то есть в более молодой Вселенной.
Орельен Хес (Aurelien Hees) из Национального центра научных исследований Франции и его коллеги из Австралии, США и Японии провели поиски изменения постоянной тонкой структуры вблизи сверхмассивной черной дыры. Для этого они наблюдали пять звезд на орбите у такого объекта в центре нашей Галактики и сравнивали относительные параметры различных линий поглощения в их спектрах. С точностью до 10−6 отклонений от известного значения найдено не было.
Некоторые звезды в непосредственной близи от центра Млечного Пути (S-звезды) движутся по вытянутым орбитам, приближаясь в черной дыре, чем ученые уже неоднократно пользовались для проверок различных физических концепций. В данном случае исследователи следили за пятью светилами S0-6, S0-12, S0-13, S1-5 и S1-23, так как они представляют собой звезды-гиганты на поздних этапах эволюции, так что их вешние области достаточно холодны для существования многих атомов с сильными линиями поглощения. Также в спектрах этих источников наблюдаются линии с различной чувствительностью от α, в то время как у звезд с горячими атмосферами (к ним относится наиболее близкая к сверхмассивной черной дыре S0-2) видны только линии водорода и гелия с близкой зависимостью от α.
Всего ученые работали с 13 линиями поглощения от таких элементов, как кремний, железо, натрий, титан и другие. Данные линии были выбраны, так как они достаточно сильные, наблюдаются у большинства звезд, попадают в инфракрасный диапазон, в котором возможно наблюдения центра Галактики, а рядом с ними не расположены другие спектральные особенности, осложняющие анализ. После учета сторонних факторов, в первую очередь, красного смещения, вызванного как классическим кинематическим эффектом Доплера, так и релятивистским покраснением света при выходе из глубокого потенциала, искомого эффекта выделить не удалось.
Объединение данных от всех пяти звезд дает значение отклонения ∆α/α = (1.0 ± 5.8) × 10−6, то есть в пределах ошибок никаких вариаций постоянной тонкой структуры не наблюдается. Это ограничение по порядку величины соответствует другим оценкам переменности α (например, по наблюдениям квазаров), но впервые сделано как для сверхмассивных объектов, так и для черных дыр. В будущем станет возможным проведение подобных оценок с точностью на порядки больше, так как новые инструменты позволят детально исследовать более тусклые звезды.
Ранее колебания фундаментальных постоянных предлагали искать по сжатию кристаллов, а изменение гравитационной постоянной — по пульсациям древней звезды. Также физики выяснили, что даже изменение фундаментальных констант не позволяет бериллию-8 стать стабильным.
Тимур Кешелава