Физики использовали астрономические наблюдения, чтобы вычислить максимально возможную массу гипотетической частицы, отвечающей за гравитацию: гравитона. Открытие того факта, что масса гравитона отлична от нуля, заставило бы учёных пересмотреть существующие теории и выйти на просторы новой физики.

Подробности описаны в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters исследователями из Франции и Монако.

Напомним, что все силы в природе (сила тяжести, сила упругости, электрические и магнитные силы и так далее) сводятся к проявлениям четырёх взаимодействий: сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного. За каждое взаимодействие отвечает особое поле.

Согласно построениям теоретиков, каждому полю соответствует частица – квант этого поля. Так, квантом электромагнитного поля является фотон.

До сих пор экспериментально не обнаружены кванты лишь одного поля из четырёх: гравитационного. Это связано с тем, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее, чем остальные три (несмотря на то, что одно из них называется слабым). К примеру, сила электрического отталкивания между двумя электронами примерно в 10⁴⁴ раз больше, чем сила их гравитационного притяжения. Чтобы были понятны масштабы этого числа, вспомним, что масса Млечного Пути составляет порядка 10⁴² килограммов.

Однако сильное и слабое взаимодействие проявляются лишь в масштабах, сравнимых с размерами атомных ядер и элементарных частиц. Электромагнитное же притяжение и отталкивание обычно компенсируют друг друга из-за того, что в больших телах примерно равное количество положительно и отрицательно заряженных составляющих. Поэтому, когда речь идёт об объектах размером с небесные тела, гравитация становится важной силой (что может подтвердить каждый, кому доводилось разбивать нос о поверхность родной планеты).

Хотя существование гравитонов ещё не подтверждено прямым экспериментом, теоретики многое могут сказать об их свойствах. Так, эти частицы должны двигаться со скоростью света. Следовательно, их масса должна быть строго равна нулю (это общее свойство всех частиц, двигающихся с такой скоростью). Доказательство того, что гравитоны несколько тяжелее, обрушило бы существующие теории.

Существует несколько способов измерить массу гравитона. Один из них основан на измерении скорости расширения Вселенной, однако он очень косвенный. Учёным приходится исходить из множества предположений, некоторые из которых подвергаются сомнению.

Более прямой путь связан с наблюдением гравитационных волн, которые можно считать потоками гравитонов. Такие исследования уже выполнены, и их результат говорит о том, что масса гравитона не больше 4,7 × 10^-23 электронвольт/с², где c – скорость света. Такие своеобразные единицы удобны для измерения сверхмалых масс. Однако при желании их всегда можно перевести в килограммы с помощью знаменитой формулы E = mc².

Существует и третий способ. Речь идёт о точном расчёте движения тел Солнечной системы и сравнении результатов с наблюдениями. Если масса гравитона достаточно велика, то предсказания классической теории разойдутся с фактами.

Этот метод на протяжении последних 30 лет применялся уже несколько раз. Каждый раз специалисты учитывали всё больше наблюдательных данных и выполняли более точные вычисления.

На сей раз исследователи использовали модель Солнечной системы под названием INPOP17b. Они учли координаты, массы и скорости Солнца, планет, их спутников и многих астероидов. Взяв за отправную точку 2000 год, авторы рассчитали положение небесных тел в будущее до 2017 года и в прошлое до 1913 года. В этих хронологических рамках у астрономов есть достаточно подробные наблюдательные данные.

При этом физики усовершенствовали процедуру по сравнению с работами предшественников. Прежде чем выполнять подобный анализ, нужно взять наблюдательные данные в определённый момент времени (в данном случае это был 2000 год) и настроить модель в соответствии с ними. До этого такая настройка выполнялась, исходя из классической теории, согласно которой масса гравитона равна нулю. Получается, что учёные использовали как истину утверждение, которое они собирались проверять. Хотя такое отступление от логики не сводит на нет весь смысл проверки, оно может исказить результаты. В новой работе авторы изменили процедуру настройки модели, добавив в неё учёт возможной ненулевой массы гравитона.

В итоге исследователи вычислили, что с вероятностью 90% масса этой частицы не превышает 6,76 × 10^-23 электронвольт/с². Интересно, что это число по порядку величины совпадает со значением, полученным благодаря изучению гравитационных волн. Однако эксперты склонны видеть в этом случайное совпадение.

Подчеркнём, что полученная величина – это верхний предел массы гравитона. Она может быть сколь угодно меньше, в том числе и равна нулю, как и предсказывает классическая теория. Полученный результат говорит только о том, что, будь она больше, учёные бы это заметили.