Probing Variations of Newton's Constant in Strong Gravitational Fields

宇宙に対する私たちの理解の核心には、シンプルで静かな仮定が存在する。それは、自然の法則は変化しないというものである。1世紀以上にわたり、物理学者たちは、惑星を軌道に留め、私たちの足を地面に接地させる力である重力の強さが、固定された数値であるという信念に基づいて研究を行ってきた。ニュートンの重力定数として知られるこの定数は、巨大な物体の周囲で時空がどのように湾曲するかを記述する理論である一般相対性理論の構造の中に織り込まれている。もしこの数値が時間の経過とともにわずかでも変化すれば、星がどのように燃焼し、銀河がどのように形成され、宇宙がどのように膨張するかというあらゆる計算に波及することになる。現代のいくつかの理論は、これらの基本的な数値が実際には動的であり、宇宙の年齢とともにゆっくりと漂っている可能性を示唆しているが、そのような変化を証明することは極めて困難である。地球上では、重力の引きはあまりに弱いため、微妙な変化を明らかにするには不十分であり、宇宙の広大な空白においては、その信号はしばさいノイズにかき消されてしまうことが多い。この基礎に生じた亀裂を見つけ出すためには、科学者たちは重力が単に存在するだけでなく、圧倒的な力を持っている場所へと目を向けなければならない。

最近の研究において、研究者たちはG191-B2Bと呼ばれる白色矮星へと視線を向けた。これは、これらの概念を検証するためのユニークな実験室となる、高密度で死に絶えた恒星の残骸である。この星は驚異的にコンパクトであり、太陽と同等の質量を地球サイズの球体に詰め込んでいるため、その表面における重力は、私たちがここで経験しているものの約1万倍という強さを持つ。T. D. Le率いるチームは、ハッブル宇宙望遠鏡の強力な眼を利用して、紫外線スペクトルにおけるこの星の光の高解像度画像を捉えた。光が白色矮星の強烈な重力から脱出する際、光はエネルギーを失い、引き伸ばされる。これは重力赤方偏移として知られる現象である。科学者たちは、星の大気中にあるニッケル原子の特定の指紋を調べることで、この光が正確にどれだけ引き伸ばされたかを測定することができた。彼らは、これらの測定値を地球上の研究所で測定されたニッケルの光の精密な波長と比較し、重力の法則や原子の性質が時間の経過とともに変化したことを示唆するような、微細な不一致がないかを探った。

研究者たちは、120本の明確な吸収線、すなわちニッケル原子が特定の色の光を吸収することによって生じるスペクトルの暗い帯に焦点を当てた。白色矮星の極限環境において、これらの線は周囲のガスの圧力によって幅広くなっているが、チームはこの詳細を慎重に考慮に入れ、測定の精度を確保した。彼らは、重力赤方偏移を、星の空間移動などの他の運動から分離し、残されたシフトが一定の宇宙の予測と一致するかどうかを確認した。その結果、変化の証拠は見られないという、極めて精密な測定結果が得られた。チームは、ニュートン定数の変化率は実質的にゼロであり、その値はマイナス0.014 × 10のマイナス15乗毎年（±ごくわずかな誤差範囲内）であると算出した。この発見は、地球の1万倍の重力場においても、重力を支配する基本的な定数が安定していることを裏付けている。

この結論は、重力が宇宙的な時間の中で進化すると提唱する理論に対して、厳しい制限を課すものである。月レーザー測距や脈動星のタイミングを用いた過去の研究も、重力がどの程度変化し得るかについての境界を設定してきたが、それらの手法はより弱い重力場で作動しているか、あるいは異なる物理的メカニズムに依存している。G191-B2Bを用いた今回の新しい分析は、重力がはるかに強力な領域を調査しており、物理法則が真に普遍的であるかどうかについて、より厳格なテストを提供している。データは、もし重力定数が変化しているとしても、それは現在の観測限界において完璧に一定であることと区別がつかないほど遅い速度で行われていることを示唆している。研究者たちは、彼らの知見を重力と他の基本的な力を結びつける広範な理論へと結びつけることで、重力の安定性が極めて過酷な条件下でも揺るぎないものであることを示した。この研究は、宇宙が安定した一連の規則に基づいて機能しているという考えを補強し、重力定数の漂流を予測する多くの投機的なモデルに終止符を打つものである。