Improving constraints on the Yukawa correction at the Galactic Center with multiple stellar orbits
銀河中心の超大質量ブラックホールの周囲を公転する複数の恒星（S2、S55、S29、S38、およびS301）のアストロメトリおよび分光データに基づき、本研究はニュートン重力に対するユカワ型の補正に関する制約を大幅に改善し、単一の恒星を用いた従来解析と比較して結合定数の制約を5倍に強めるとともに、短距離および長距離の両方のスケールにおいて現在最も厳格な限界値を確立した。
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重力は、私たちの世界を繋ぎ止めている力であり、惑星をその軌道に留め、木々からリンゴを落下させる目に見えない手です。1世紀以上にわたり、この力の最良の説明はアルベルト・アインシュタインの一般相対性理論でした。この枠組みは、星明かりの曲がりから、衝突するブラックホールによって引き起こされる時空のさざ波に至るまで、私たちが投げかけたあらゆるテストをすべてクリアしてきました。しかし、その成功にもかかわらず、この理論はダークマターの性質や宇宙の膨張の奇妙な加速といった、いくつかの宇宙的謎を未解決のまま残しています。こうした空白があるため、科学者たちは、極限環境や非常に特定の距離において、重力がわずかに異なる挙動を示すのではないかと長年考えてきました。ある有力な説は、重力が距離に応じて急速に減衰する、微小で余分な「押し」や「引き」を持っている可能性を示唆しています。これは「ユカワ補正」として知られる概念です。もしこのような力が存在するならば、それはすでに知られている4つの力とは異なる、自然界における「第五の力」となるはずであり、その発見は物理学の法則を書き換えることになるでしょう。
この捉えどころのない力を探し出すために、天文学者たちは最も強力な「目」を、私たち自身の天の川銀河の中心へと向けました。そこには、塵の雲の背後に隠れて、光さえも脱出できないほど重力が密集した怪物、超大質量ブラックホールが存在します。このブラックホールを周回しているのは、いくつかの恒星であり、それらはイベントホライゾン（事象の地平線）に危険なほど接近する軌道を描きながら、驚異的な速度で移動しています。これらの恒下星の動きを観察することで、科学者たちは太陽系で見られるものよりもはるかに強烈な領域における重力の強さを測定することができます。もしこの余分な「第五の力」が存在するならば、それはこれらの恒星を予想された経路から逸れさせ、現在の理論では説明できない、その運動の中に微かな指紋を残すはずです。
GRAVITY+コラボレーションが主導した新しい研究は、この探索を新たな精度へと引き上げました。以前の研究が単一の恒星の運動に依存していたのに対し、チームは中心のブラックホールを周回する5つの異なる恒星からのデータを組み合わせました。彼らは、チリにある非常に大型の望遠鏡（VLT）にあるいくつかの高度な計器によって、1992年から2025年までの30年以上にわたって収集された膨大な観測データのコレクションを使用しました。このデータセットには、長年追跡されてきた有名な恒星S2が含まれていますが、決定的なのは、新たに発見されたS301を含む他の4つの恒星のデータも組み込まれている点です。この新しい恒星は、S2よりもブラックホールに深く潜り込むため、チームが以前は探ることが不可能であった距離において重力をテストすることを可能にしました。
研究者たちは、既知の重力の法則に加えて、潜在的な余剰の力を考慮した、これら5つの恒星の軌道をシミュレートする複雑なコンピュータモデルを構築しました。そして、それらのシミュレーションを実際の観測結果と比較し、恒星が予測通りに動いているのか、あるいは何か別のものに引かれている兆候があるのかを確認しました。結果は精密さの勝利でした。チームはこの余剰の力の証拠を見つけませんでしたでした。実際、5つの恒星すべてのデータを組み合わせることで、彼らはかつてないほどの確信を持って、この第五の力の存在を否定することができました。彼らは、もしそのような力が存在するとしても、その強さは極めて弱く、恒星の軌道に目に見える影響を与えるほどの閾値をはるかに下回っているはずであると結論付けました。
この研究の力は、使用された恒星の多様性にあります。恒星S2のデータ単独では、特定の距離における力の非常にタイトな限界値を提供しましたが、他の恒星を加えることで、科学者たちはより広い範囲の距離をテストすることができました。はるかに広い軌道を辿る恒星S29は、大きな距離において力がどのように振る舞うかについて厳格な制限を設けるのに役立ちました。逆に、タイトで近接した経路を持つ新発見のS301は、従来の調査では見ることができなかった領域、つまり非常に短い範囲において、チームが力をテストすることを可能にしました。チームは、ブラックホールから約100天文単位の距離において、そのような余剰の力の強さは通常の重力の6万分の1未満でなければならないことを見出しました。さらに近い距離においては、制限はさらに厳しくなりました。
この研究は、超大質量ブラックホール周辺で行われた最も厳格な重力テストを象徴しています。この潜在的な第五の力に対する制約を強めることで、本研究は、そのような力が銀河中心において検出可能なほど強いと予測する幅広い理論の扉を事実上閉ざしました。アインシュタインの理論からの逸脱を求める探索は続いていますが、この新しい分析は、少なくとも天の川銀河の中心にあるブラックホールの激しい近傍において、重力は一般相対性理論が予測する通りに正確に振る舞っていることを裏付けています。恒星たちは既知の法則の調べに合わせて踊っており、今のところ、その音楽が変わることはありません。
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