Астрономы использовали известные параметры и траектории планет для поиска массы гравитона — гипотетической частицы-переносчика силы гравитации. Искомого значения выделить не удалось, но при этом было поставлено верхнее ограничение: масса гравитона должна быть меньше 6,76×10−23 электронвольт, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.
Современная теория гравитации — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна — «классическая» теория в том смысле, что она получена без использования формализма квантовой механики. С точки зрения физики частиц ОТО можно сформулировать как теорию взаимодействия, переносчиком которого является безмассовая частица со спином, равным двум, которую называют гравитон.
С точки зрения теоретической физики поведение безмассовой частицы-переносчика и частицы, обладающей даже небольшой массой, заметно отличается. В частности, безмассовая частица по определению должна двигаться в вакууме строго с той же скоростью, что и фотоны, то есть со скоростью света. Также масса частицы-переносчика взаимодействия порождает эффективный радиус действия. Подробнее об этом мы говорили в материале «Тяжелый фотон».
Существует несколько способов оценки массы гравитона. В частности, космологические наблюдения темпа расширения пространства позволяют установить наиболее жесткие ограничения: согласно им гравитон должен быть легче 10−32 электронвольт. Однако такой способ оценки опирается на несколько допущений, к тому же было бы преувеличением считать наше понимание эволюции Вселенной всеобъемлющим. В любом случае, ученые стремятся получить несколько независимых результатов из разных экспериментов.
Несколько десятков лет назад появились первые работы, в которых оценивалась влияние массы гравитона на движение планет в Солнечной системе. Подобный эффект должен возникать из-за того, что в случае массивного гравитона в гравитационном потенциале присутствует второе экспоненциальное слагаемое, что делает его подобным потенциалу Юкавы для сильного взаимодействия. В результате он начинает спадать быстрее чем 1/r, как в ньютоновском случае.
Ученые при участии Лео Бернуса (Leo Bernus) из Национального центра научных исследований Франции провели новую оценку массы гравитона на основе положений планет, которая отличается от предшествующих в двух аспектах. Во-первых, в ней используются самые точные измерения параметров тел, а во-вторых — она лишена неявных предположений, делающих выводы менее надежными.
Астрономы использовали устоявшуюся методологию: выбрали в качестве начального конкретный момент времени, для которого координаты планет известны с высокой точностью, вычислили в рамках модели положения в другой момент времени, и сравнили полученные данные с наблюдениями. Однако для проведения такой процедуры необходимо сперва вычислить параметры планет, например, массу. Для этого надо воспользоваться описывающими гравитацию уравнениями, но если использовать стандартные, не учитывающие возможность наличия массы у гравитона, то результаты будут всегда смещены в пользу ОТО.
Авторы учли это обстоятельство, а также использовали эфемериды планет из модели INPOP17b, которая считается самой точной на данный момент. В качестве начальной точки астрономы выбрали 2000 год, вычисляя положение планет в 1913 и 2017 годах, а затем сравнили с реальными данными. Оказалось, что с вероятностью в 90 процентов масса гравитона не превышает 6,76×10−23 электронвольт, что соответствует комптоновской длине волны, на которой происходит экранировка взаимодействия, в 1,83×1013 километров.
Такого же порядка ограничения получаются при анализе данных о зафиксированных интерферометрами LIGO гравитационных волнах. Однако авторы отмечают, что близость оценок в данном случае исключительно случайна, так как для них были использованы совершенно разные данные и эксперименты, поэтому выводы совершенно независимы. Также ученые ранее описали идею гравитационно-волнового пинцета.
Тимур Кешелава