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, периодически приближаясь к 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 внешние 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
Они могут быть источником солнечного ветра
Солнечный зонд Solar Orbiter обнаружил множество небольших джетов в пределах корональной дыры на Солнце, живущих до ста секунд. По мнению ученых, такие джеты могут возникать из-за магнитного пересоединения и генерировать достаточно высокотемпературной плазмы, чтобы поддерживать солнечный ветер. Статья опубликована в журнале Science. Солнечный ветер представляет собой непрерывный поток плазмы, покидающей Солнце и пронизывающей всю гелиосферу. За быстрый солнечный ветер (со скоростью более 500 километров в час) могут быть ответственны крупные корональные дыры (в основном полярные), где линии магнитного поля разомкнуты. Небольшие корональные дыры, образующиеся вблизи активных областей на Солнце, могут быть источниками более медленного ветра. Однако физическое происхождение и механизмы ускорения солнечного ветра не до конца ясны, он может быть связан с процессами диссипации волн и турбулентностью или пересоединением магнитных силовых линий в основании короны Солнца. Одним из источников плазмы солнечного ветра могут быть джеты и шлейфы, наблюдаемые в переходной области Солнца. Лакшми Прадип Читтой (Lakshmi Pradeep Chitta) вместе с коллегами из Института исследований Солнечной системы Общества Макса Планка опубликовали результаты наблюдений за корональной дырой недалеко от южного полюса Солнца 30 марта 2022 года, проведенных в ультрафиолетовом диапазоне при помощи камеры Extreme Ultraviolet Imager космического аппарата Solar Orbiter. Ученые обнаружили ряд мелкомасштабных (шириной около 200-400 километров) джетов, те из них, которые находились темных частях корональной дыры, обладали линейной или Y-образной морфологией. Другие, которые наблюдались вблизи изолированного яркого шлейфа внутри корональной дыры, Y-образной морфологии не имели. Джеты существовали от 20 до 100 секунд. Регистрировалось также более слабое излучение с морфологией, напоминающей вуаль, которое демонстрирует явное истечение наружу по всей корональной дыре. Предполагается, что мелкомасштабные джеты могут быть аналогами истечений из корональных дыр, выявленных ранее, а Y-образные джеты, вызываемые пересоединением открытых и замкнутых силовых линий магнитного поля, и характеризуемые скоростями истечения плазмы до 100 километров в секунду, могут направлять часть или все вещество из джетоподобных структур вдоль открытых силовых линий магнитного поля корональной дыры, питая солнечный ветер. Ранее мы рассказывали о том, как Solar Orbiter увидел плазменного «ежа» на Солнце.