Οι πλανήτες και τα σωματίδια της βαρύτητας

Posted on 18/10/2019

0


Τα όρια της κβαντικής βαρύτητας από παρατηρήσεις πλανητών

Μια νέα ανάλυση βελτιώνει τις εκτιμήσεις για την μάζα του βαρυτονίου χρησιμοποιώντας δεδομένα από το Ηλιακό μας Σύστημα.

Πλανήτες και βαρυτόνια. Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, ο ήλιος και οι πλανήτες παραμορφώνουν τον χωροχρόνο (το πλέγμα) και η καθιερωμένη κβαντική εκδοχή της θεωρίας περιλαμβάνει τα χωρίς μάζα βαρυτόνια (οι κυματοειδείς γραμμές) που μεταφέρουν την βαρυτική δύναμη. Οι μικρές αποκλίσεις των πλανητικών τροχιών από τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας μπορούν να εξηγηθούν από μια μη-μηδενική μάζα βαρυτονίων.
(Y. Gominet/Paris Observatory)

Η δύναμη της βαρύτητας, που περιγράφεται από την γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, μπορεί να συνδεθεί με ένα σωματίδιο που ονομάζεται βαρυτόνιο, το οποίο θεωρείται πως έχει μηδενική μάζα. Ένας τρόπος για να ελέγξουμε αν το βαρυτόνιο πράγματι δεν έχει μάζα, είναι να υπολογίσουμε ένα άνω όριο στην μάζα του από τα δεδομένα των λεπτομερών παρατηρήσεων των πλανητικών κινήσεων του Ηλιακού Συστήματος. Οι ερευνητές Bernus et al [Constraining the mass of the graviton with the planetary ephemeris INPOP] έχουν βελτιώσει μια παλαιότερη εκτίμηση αποφεύγοντας μια σιωπηρή υπόθεση της προηγούμενης εργασίας που επηρέαζε το αποτέλεσμα.

Αν η μάζα του βαρυτονίου είναι διάφορη του μηδενός τότε πρέπει να αναζητήσουμε νέες θεωρίες φυσικής πέραν της γενικής σχετικότητας.

Δεδομένου ότι η βαρυτική δύναμη θεωρείται πως διαδίδεται με την ταχύτητα του φωτός, η μάζα του βαρυτονίου mg θα μπορούσε να είναι μηδέν. Μόνο αντικείμενα χωρίς μάζα όπως τα φωτόνια μπορούν να κινηθούν τόσο γρήγορα. Αλλά αν το βαρυτόνιο έχει μια μάζα διάφορη του μηδενός, τότε η βαρύτητα θα είχε πεπερασμένη και όχι άπειρη εμβέλεια. Η εμβέλεια αυτή χαρακτηρίζεται από το μήκος κύματος Compton λg. Οι πρόσφατες ανιχνεύσεις των βαρυτικών κυμάτων έδειξαν ότι η μάζα του βαρυτονίου mg είναι μικρότερη από 5×10−23 eV, με αντίστοιχο μήκος κύματος Compton λg τουλάχιστον 2,6×1013km.

Oι κοσμολογικοί υπολογισμοί – για παράδειγμα, πως ένα πεπερασμένο λg θα άλλαζε την διαστολή του σύμπαντος – μπορούν να περιορίσουν περισσότερο τις εκτιμήσεις από τις παρατηρήσεις των βαρυτικών κυμάτων (έως περίπου 10−32 eV).

Αλλά οι φυσικοί αρέσκονται να ψάχνουν ανεξάρτητους τρόπους προσδιορισμού αυτού του ορίου. Πριν από δυο δεκαετίες περίπου ο Clifford Will, που τώρα εργάζεται στο Πανεπιστήμιο της Φλώριδας, υπέδειξε την εξαγωγή των ορίων στην μάζα του βαρυτονίου από την παρατήρηση της κίνησης των πλανητών του Ηλιακού Συστήματος, δεδομένου ότι ένα βαρυτόνιο με μάζα θα μπορούσε να δημιουργεί αποκλίσεις από τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας. Πρόσφατα ο Will εφάρμοσε αυτή την προσέγγιση στις παρατηρήσεις της τροχιάς του πλανήτη Άρη και υπολόγισε ένα πάνω όριο για την mg μεταξύ 5.6×10−24 και 10−23eV.

Ο Leo Bernus από Αστεροσκοπείο του Παρισιού και οι συνεργάτες του έκαναν μια παρόμοια μελέτη αλλά με έναν τρόπο που αποφεύγει μια σιωπηρή υπόθεση, και επιπλέον συμπεριέλαβαν πολλά αντικείμενα του Ηλιακού Συστήματος στην ανάλυσή τους.

Πριν συγκρίνετε τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας για τις πλανητικές τροχιές, πρέπει να γνωρίζετε τις αρχικές θέσεις των πλανητών σε κάποια δεδομένη στιγμή, καθώς και τις μάζες. Οι ερευνητές πρέπει να αποκτήσουν αυτές τις παραμέτρους προσαρμόζοντας ένα τροχιακό μοντέλο στα δεδομένα παρατήρησης. Αλλά αν αυτή η διαδικασία προσαρμογής δεν επιτρέπει την πιθανότητα ύπαρξης ενός βαρυτονίου με μάζα, τότε οι παράμετροι που προκύπτουν ευνοούν την θεωρία της σχετικότητας.  Για να εξεταστεί μια θεωρία με βαρυτόνια που διαθέτουν μάζα, το λg πρέπει να προστεθεί ως μια ρυθμιζόμενη παράμετρος στην αρχική διαδικασία προσαρμογής των δεδομένων για τον προσδιορισμό των μαζών και άλλων αρχικών παραμέτρων.

Ο Bernus και οι συνεργάτες του ξεκίνησαν με τις θέσεις, μάζες και ταχύτητες του Ήλιου, των πλανητών, των δορυφόρων τους και πολλών αστεροειδών όπως αυτές προέκυψαν από μια προσαρμογή που επέτρεπε ένα πεπερασμένο λg πάνω σε δεδομένα μετρήσεων από το 2000. Στη συνέχεια έτρεξαν (στο μοντέλο INPOP17b) τις εξισώσεις κίνησης προς τα πίσω και εμπρός στο χρόνο έως το 1913 και το 2017, αντίστοιχα, μια περίοδο κατά την οποία υπάρχουν καλά δεδομένα παρατήρησης. Στη συνέχεια οι ερευνητές έψαξαν για τυχόν διαφορές με τις παρατηρήσεις, κάτι που θα υποδείκνυε ότι το βαρυτόνιο διαθέτει μάζα.

Τα αποτελέσματα έδειξαν πως το λg δεν μπορεί να είναι μικρότερο από 1,83×1013 km, οπότε το mg δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερο από 6.76×10−23 eV (με βεβαιότητα 90%).

Αυτές οι τιμές διαφέρουν από τις εκτιμήσεις του Will κατά έναν συντελεστή περίπου 10, αλλά είναι πολύ κοντά σε εκείνες που προκύπτουν από τις μελέτες των βαρυτικών κυμάτων, παρά το γεγονός ότι προέρχονται από έναν εντελώς ανεξάρτητο δρόμο – ένα εύρημα που σύμφωνα με τον Bernus είναι καθαρή σύμπτωση. Προσθέτει επίσης ότι, καθώς θα γίνονται διαθέσιμα καλύτερα δεδομένα σχετικά με τις κινήσεις του Ηλιακού Συστήματος, ο περιορισμός αυτός θα γίνεται ολοένα και πιο στενός.

Ο αστροφυσικός Nicolas Yunes του Πανεπιστημίου του Ιλινόις συμφωνεί με τον Bernus και τους συναδέλφους του ότι, μάλλον εξαιτίας της σιωπηρής παραδοχής, το όριο του Will στην μάζα του βαρυτονίου προέκυψε μικρότερο.  Ο ίδιος ο Will δήλωσε «πως είναι απογοητευμένος που το νέο όριο είναι πιο ‘αδύναμο’ από το δικό του, αλλά τι να κάνουμε, έτσι είναι η ζωή».

πηγή: https://physics.aps.org/articles/v12/113

Ετικέτα: