Пульсации древней звезды помогли ограничить изменение гравитационной постоянной

Астрономам удалось наложить ограничения на изменение гравитационной постоянной за миллиарды лет существования Вселенной. Для этого они оценили влияние этого изменения на эволюцию и свойства колебаний одной из старейших известных звезд во Вселенной — KIC 7970740, возраст которой составляет примерно 11 миллиардов лет. Значимого изменения выявить не удалось, пишут ученые в препринте на сервере arXiv.

Обычно считается, что так называемые фундаментальные физические константы одинаковы во всех точках пространства и в любой момент времени. Тем не менее, ученые строят теории, в которых допускается постепенное изменение этих величин. Иногда это изменение очень мало, что не позволяет его непосредственно зафиксировать, а в других моделях эти изменения ответственны за некоторые наблюдаемые эффекты, которые обычно интерпретируются иначе.

К подобным фундаментальным константам могут относить скорость света в вакууме, элементарный заряд, массы электрона и протона, постоянную Планка и гравитационную постоянную. Некоторые величины с высокой точностью измерять непосредственно сложно, поэтому ищется дрейф их комбинаций, например, постоянной тонкой структуры, которая связывает заряд электрона, электрическую постоянную, скорость света и постоянную Планка. От этой величины зависят соотношения между спектральными линиями, которые можно измерять с высокой точностью.

Современная теория гравитации — общая теория относительности Альберта Эйнштейна — опирается на принцип эквивалентности, который говорит о независимости исхода локального эксперимента в свободно падающей системе отсчета от положения в пространстве-времени. Иными словами, в рамках ОТО гравитационная постоянная G считается неизменной по определению. В то же время, с точки зрения более сложных концепций, таких как теория струн и некоторые виды модифицированных гравитаций, эта величина не является фундаментальной постоянной и может меняться во времени.

Дрейф G экспериментально ищут несколькими способами. Наиболее точным на данный момент является метод лазерной локации Луны, который позволяет очень точно высчитывать расстояние до ближайшего космического тела благодаря размещенным там светоотражателям. Текущее ограничение на вариацию данной константы, определяемое как отношение ее производной по времени к самой величине Ġ/G равняется (7.1 ± 7.6) × 10⁻¹⁴ год⁻¹. В пределах ошибок эта величина не отличается от нуля, поэтому говорится об отсутствии значимого тренда.

Датские астрофизики под руководством Эрла Патрика Беллингера (Earl Patrick Bellinger) из Орхусского университета представили новую оценку временного дрейфа G на основе наблюдения и моделирования древней малометалличной звезды KIC 7970740. Идея авторов заключается в моделировании пульсаций звезды на основе данных, полученных в ходе трехлетних наблюдений с помощью космического телескопа «Кеплер». Свойства таких колебаний связаны с параметрами звезды и позволяют вычислить ее глобальные характеристики. Если также допустить, что существующая теория звездной эволюции достаточно точна, то можно установить ограничения на возраст и историю светила путем сопоставления модельных результатов и наблюдений.

Авторы получили оценку Ġ/G = (2.1 ± 2.9) × 10⁻¹² год⁻¹, что также совместимо с отсутствием изменения. Данная оценка несколько хуже уже существующих наиболее точных, но отличается от них важным аспектом: она ограничивает изменение константы на протяжении миллиардов лет, в то время как лазерная локация Луны проводится только несколько десятилетий.

Гравитационная постоянная влияет на несколько параметров звезды. В частности, общая светимость пропорциональная G в 7 степени, поэтому изменение константы во времени непосредственно влияет на темп эволюции светила. Также изменения гравитации повлекут смещения частот звездных пульсаций и их свойств.

Астрономы пишут, что данный метод можно развить, применив его к ансамблям звезд, для которых имеются точные наблюдательные данные. Это позволит установить еще более сильные ограничения на дрейф G. Также подобным способом можно попытаться найти изменение и других фундаментальных констант, которые сказываются на свойствах светил.

Самое точное значение гравитационной постоянной было получено физиками в прошлом году, а постоянная тонкой структуры и отношение масс протона и электрона, согласно экспериментальным данным, не изменились за последние три миллиарда лет. Были попытки объяснить с помощью дрейфа констант возможную стабильность бериллия-8 в ранней Вселенной, но они не увенчались успехом.