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.
