Пульсації стародавньої зірки допомогли обмежити зміну гравітаційної постійної

Астрономам вдалося накласти обмеження на зміну гравітаційного постійного за мільярди років існування Всесвіту. Для цього вони оцінили вплив цієї зміни на еволюцію і властивості коливань однієї з найстаріших відомих зірок у Всесвіті - KIC 7970740, вік якої становить приблизно 11 мільярдів років. Значущої зміни виявити не вдалося, пишуть вчені в препринті на сервері arXiv.

Зазвичай вважається, що так звані фундаментальні фізичні константи однакові у всіх точках простору і в будь-який момент часу. Проте, вчені будують теорії, в яких допускається поступова зміна цих величин. Іноді ця зміна дуже мало, що не дозволяє її безпосередньо зафіксувати, а в інших моделях ці зміни відповідальні за деякі спостережувані ефекти, які зазвичай інтерпретуються інакше.

До подібних фундаментальних констант можуть відносити швидкість світла у вакуумі, елементарний заряд, маси електрону і протона, постійну Планка і гравітаційну постійну. Деякі величини з високою точністю вимірювати безпосередньо складно, тому шукається дрейф їх комбінацій, наприклад, постійної тонкої структури, яка пов'язує заряд електрона, електричну постійну, швидкість світла і постійну Планка. Від цієї величини залежать співвідношення між спектральними лініями, які можна вимірювати з високою точністю.

Сучасна теорія гравітації - загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна - спирається на принцип еквівалентності, який говорить про незалежність результату локального експерименту у вільно падаючій системі відліку від положення в просторі-часі. Іншими словами, в рамках ОТГ гравітаційна постійна G вважається незмінною за визначенням. Водночас, з точки зору більш складних концепцій, таких як теорія струн і деякі види модифікованих гравітацій, ця величина не є фундаментальною постійною і може змінюватися в часі.

Дрейф G експериментально шукають кількома способами. Найбільш точним на даний момент є метод лазерної локації Місяця, який дозволяє дуже точно вираховувати відстань до найближчого космічного тіла завдяки розміщеним там світловідбивачам. Поточне обмеження на варіацію даної константи, визначене як відношення її похідної за часом до самої величини 7.1/G дорівнює (7.6. 10^{. 1}4 ^рік _ 1. В межах помилок ця величина не відрізняється від нуля, тому йдеться про відсутність значущого тренда.

Данські астрофізики під керівництвом Ерла Патріка Беллінгера (Earl Patrick Bellinger) з Орхуського університету представили нову оцінку тимчасового дрейфу G на основі спостереження і моделювання стародавньої малометалличної зірки KIC 7970740. Ідея авторів полягає в моделюванні пульсацій зірки на основі даних, отриманих під час трирічних спостережень за допомогою «космічного копа». Властивості таких коливань пов'язані з параметрами зірки і дозволяють обчислити її глобальні характеристики. Якщо також припустити, що існуюча теорія зоряної еволюції досить точна, то можна встановити обмеження на вік і історію світила шляхом зіставлення модельних результатів і спостережень.

Автори отримали оцінку 2.1/G = (2.9. 10^{. 1}2 ^рік _ 1, що також сумісно з відсутністю зміни. Дана оцінка дещо гірше вже існуючих найбільш точних, але відрізняється від них важливим аспектом: вона обмежує зміну константи протягом мільярдів років, в той час як лазерна локація Місяця проводиться тільки кілька десятиліть.

Гравітаційна постійна впливає на декілька параметрів зірки. Зокрема, загальна світність пропорційна G 7 мірою, тому зміна константи в часі безпосередньо впливає на темп еволюції світила. Також зміни гравітації спричинять зсув частот зоряних пульсацій та їх властивостей.

Астрономи пишуть, що цей метод можна розвинути, застосувавши його до ансамблів зірок, для яких є точні спостережні дані. Це дозволить встановити ще більш сильні обмеження на дрейф G. Також подібним способом можна спробувати знайти зміну і інших фундаментальних констант, які позначаються на властивостях світил.

Найточніше значення гравітаційної постійної було отримано фізиками в минулому році, а постійна тонкої структури і відношення мас протона і електрону, згідно з експериментальними даними, не змінилися за останні три мільярди років. Були спроби пояснити за допомогою дрейфу констант можливу стабільність берилію-8 в ранньому Всесвіті, але вони не увінчалися успіхом.