Гелиосейсмология ограничила альтернативные теории гравитации

Физики из Чехии и Португалии с помощью гелиосейсмологии почти в тысячу раз уточнили ограничение на «пятую силу», которая возникает в альтернативных скалярно-тензорных теориях гравитации. Для этого ученые теоретически рассчитали спектр сейсмических волн, которые распространяются внутри Солнца, и сравнили его с данными группы GONG. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Несмотря на то, что Общая теория относительности (ОТО) прекрасно описывает большинство известных гравитационных эффектов, физики продолжают искать альтернативные теории гравитации. Все эти поиски мотивированны небольшим числом эффектов, которые в рамках ОТО объяснить не удается — эффектами квантовой гравитации вблизи сингулярностей, а также существованием неуловимой темной материи и темной энергии. К сожалению, никаких экспериментальных указаний на какую-либо альтернативную теорию гравитации до сих пор нет. Поэтому задать конкретное направление поисков невозможно и в настоящее время на страницах научных журналов успешно сосуществуют десятки альтернативных теорий. Единственное, что остается экспериментаторам — это методическое прореживание «зоопарка» теорий с помощью все более точных измерений гравитационных эффектов.

Один из самых популярных кандидатов на роль альтернативной теории гравитации — это так называемые DHOST-теории (Degenerate Higher-Order Scalar-Tensor theories), которые вводят новое динамическое скалярное поле, связанное с метрикой пространства-времени. Частными примерами DHOST-теорий являются популярные теории Хорндески и Бранса — Дикке. Отличить эти теории от ОТО можно по двум важным эффектам. Во-первых, в DHOST-теориях скорость гравитационных волн заметно отличается от скорости света. Поскольку событие GW170817 показало, что в действительности это отклонение не превышает 10⁻¹⁵ от скорости света, широкую область параметров скалярно-тензорных теорий можно исключить.

Во-вторых, DHOST-теории предсказывают, что внутри материи действует «пятая сила», которая поправляет теорему Гаусса для гравитации. Теоретически этот эффект позволяет измерить константу связи Y между скалярами и гравитацией, а затем отсеять очередную порцию теорий. К сожалению, наиболее точные измерения константы связи, полученные астрофизиками для белых карликов, оставляют для нее довольно широкое окно: −0,48 < Y < 0,18. По меркам альтернативных теорий гравитации, это очень слабые ограничения.

Физики Иппократис Сальтас (Ippocratis Saltas) и Илидио Лопес (Ilídio Lopes) измерили константу Y с помощью гелиосейсмологии и почти в тысячу раз сузили область ее допустимых параметров. Гелиосейсмология изучает внутреннюю структуру Солнца с помощью сейсмических волн — в частности, акустических волн в объеме Солнца и гравитационных волн на его поверхности. Если помимо гравитации и уравнений гидродинамики внутри Солнца действует неизвестная «пятая сила», уравнение движения сейсмических волн немного изменится, и вместе с ним изменится скорость их движения и характерная частота. Чем больше параметр Y, тем заметнее будут эти изменения. Следовательно, сравнивая теоретические предсказания с измерениями гелиосейсмологов, можно установить предельные допустимые значения параметра Y.

Чтобы упростить теоретические расчеты, ученые воспользовались приближением Коулинга (Cowling approximation) и пренебрегли слабыми возмущениями гравитационного потенциала. Проще говоря, ученые рассматривали силу гравитации и «пятую силу» в качестве постоянного фона, который пренебрежимо слабо меняется при распространении сейсмических волн. Внутреннюю структуру Солнца ученые смоделировали с помощью программы MESA, а затем численно рассчитали спектр сейсмических волн с помощью пакета GYRE. Чтобы приближение Коулинга выполнялось, ученые рассматривали волны с достаточно большим значением числа l. Найденные частоты физики сравнивали с данными группы GONG (Global Oscillation Network Group). В отсутствие «пятой силы» (то есть Y = 0) расхождение между теорией и реальными данными находилось на уровне 0,1 процента.

Наконец, ученые повторили расчеты при ненулевых значениях параметра Y, сравнили их с реальными данными и вытащили допустимую область значений, про которых отклонения теории достаточно малы. Чтобы минимизировать систематическую погрешность, связанную с неизвестными ошибками теории, ученые отбирали только такие частоты, которые в теории с Y = 0 отклонялись от реальных данных не более чем на одну сигма. Объединяя результаты расчетов для всех этих мод, ученые получили, что со значимостью около двух сигма константа связи лежит в пределах от −1,8×10⁻³ до 1,2×10⁻³. Это почти в тысячу раз точнее, чем результаты предыдущих измерений. Более того, исключенная на основании этих измерений область параметров DHOST-теорий лишь частично перекрывается с областью параметров, исключенных с помощью события GW170817.

К настоящему времени физики успели проверить Общую теорию относительности практически на всех разумных масштабах. На масштабах нескольких нанометров ученые искали отклонения от закона Ньютона, рассеивая нейтроны на молекулах благородных газов; на масштабах Солнечной системы исследователи измеряли приливные силы, расстояние до Луны и гравитационное красное смещение сигнала от спутников; на масштабах галактики астрономы следили за сигналом двойных пульсаров и искажением лучей света от далеких объектов. Большинство этих измерений не нашли никаких отклонений от теории Эйнштейна, хотя некоторые из них все-таки указывали на дополнительную «пятую силу». Впрочем, результаты «подозрительных» экспериментов, скорее всего, можно интерпретировать менее революционным способом.

Дмитрий Трунин