Oamenii de știință au propus o modalitate de a afla dacă există forțe care nu se manifestă în interacțiunea materiei obișnuite și „apar” numai atunci când vine vorba de materia întunecată. Este vorba despre atracția sau respingerea suplimentară care se adaugă gravitației.
O echipă condusă de Lijing Shao de la Institutul Max Planck pentru Radioastronomie propune studierea orbitelor sistemelor pulsare binare în acest scop. Metoda și primele rezultate ale observațiilor sunt descrise într-un articol științific publicat în revista Physical Review Letters.
Să ne amintim că, din câte știm, există doar patru interacțiuni fundamentale, la care se reduce întreaga varietate de forțe care acționează în natură. Acestea sunt interacțiuni puternice, slabe, electromagnetice și gravitaționale.
Primele două apar doar la distanțe mai mici decât diametrul nucleului atomic. Forțele electromagnetice acționează între particulele încărcate. Ele dau naștere unor fenomene aparent diferite, cum ar fi, de exemplu, atracția fierului către un magnet, elasticitatea solidelor și forța de frecare. Cu toate acestea, astfel de forțe nu afectează mișcarea obiectelor astronomice, cum ar fi planete, stele sau galaxii. Prin urmare, singura forță pe care un astronom trebuie să o ia în considerare atunci când calculează mișcarea corpurilor cerești este gravitația.
Astfel de rezultate au fost obținute în studiul tuturor particulelor descoperite de omenire. Cu toate acestea, majoritatea experților sunt siguri că există și materie întunecată, formată din particule necunoscute științei, și reprezintă 80% din masa materiei din Univers. „Vesti. Nauka” (nauka.vesti.ru) a vorbit în detaliu despre ceea ce i-a determinat pe oamenii de știință să ajungă la astfel de concluzii extravagante.
Ce se întâmplă dacă materia întunecată acționează asupra traiectoriilor corpurilor cerești nu numai prin gravitație, ci și printr-o a cincea forță necunoscută? Această posibilitate nu poate fi exclusă atunci când vine vorba de particule ipotetice cu proprietăți necunoscute.
Puteți verifica această versiune tentantă ca aceasta. Cel mai bine testat model de gravitație până în prezent este relativitatea generală (GR). Ea oferă prognoze detaliate ale traiectoriilor corpurilor cerești. Este necesar să se aranjeze un test al uneia dintre previziunile sale de bază în două situații: când influența materiei întunecate poate fi cu siguranță neglijată și când este semnificativă. Dacă rezultatele coincid, putem spune că în ambele cazuri este implicată doar gravitația, descrisă de relativitatea generală. Dacă al doilea caz diferă de primul, acest lucru poate fi înțeles în așa fel încât nu doar gravitația acționează asupra corpurilor cerești din partea materiei întunecate, ci și o anumită forță suplimentară de atracție sau respingere.
Principiul stabilit de Galileo și confirmat ulterior în relativitatea generală este potrivit pentru acest rol: într-un câmp gravitațional dat, accelerația gravitației este aceeași pentru toate corpurile, indiferent de masa, compoziția și structura internă a acestora. Aceasta înseamnă că masa inertă (care determină ce forță trebuie aplicată corpului pentru a-i da o accelerație dată) este egală cu masa gravitațională (care creează forța gravitației). Ultima afirmație este cunoscută sub numele de principiul echivalenței slabe.
Video promotional:
În 2017, a fost verificat folosind un satelit artificial al Pământului cu o eroare de cel mult o trilionime de procent. În acest caz, potrivit majorității experților, influența materiei întunecate ar putea fi neglijată, deoarece distanța de la Pământ la satelit pe o scară astronomică este mică și există puțină materie întunecată între ei.
Influența substanței misterioase ar putea fi detectată prin studierea orbitei lunii. Dar aici, principiul slab al echivalenței a fost testat „numai” până la o mie de procente și apoi numai datorită oglinzilor instalate pe suprafața Selenei. Raza laser reflectată de acestea face posibilă aflarea distanței dintre Pământ și Lună cu o eroare mai mică de un centimetru.
Noul test, propus de grupul lui Shao, presupune studierea orbitei unui sistem binar, una dintre ale cărei componente este un pulsar. Până acum, nimeni nu a folosit stele de neutroni pentru a căuta a cincea forță din materia întunecată.
„Există două motive pentru care pulsarii binari deschid un mod complet nou de a testa o a cincea forță între materia obișnuită și materia întunecată”, a spus Shao într-un comunicat de presă al studiului. - În primul rând, o stea de neutroni constă din materie care nu poate fi creată într-un laborator, de multe ori mai densă decât un nucleu atomic și constând aproape în totalitate din neutroni. Mai mult, enormele câmpuri gravitaționale din interiorul unei stele de neutroni, de un miliard de ori mai puternice decât cele ale Soarelui, ar putea, în principiu, îmbunătăți semnificativ interacțiunea [unei stele de neutroni] cu materia întunecată."
Să ne amintim că semnalele de la pulsari ajung cu o periodicitate strictă, uneori cu o precizie de nanosecunde. Datorită mișcării stelei de neutroni pe orbita sa, timpul de sosire a impulsurilor este deplasat, ceea ce face posibilă restabilirea parametrilor traiectoriei. Orbitele celor mai stabile pulsari pot fi calculate cu o eroare mai mică de 30 de metri.
Deosebit de potrivită în acest sens este steaua de neutroni PSR J1713 + 0747, situată la aproximativ 3800 de ani lumină de Pământ. Este unul dintre cele mai stabile pulsare cunoscute de omenire, cu o perioadă între impulsuri de numai 4,6 milisecunde. PSR J1713 + 0747 este un sistem binar cu o pitică albă. Este deosebit de norocos că perioada mișcării orbitale a pulsarului este de până la 68 de zile pe Pământ.
Să explicăm că cu cât perioada orbitală este mai lungă, cu atât sistemul este mai sensibil la încălcarea principiului echivalenței slabe. Aceasta este diferența cu testele de predicție convenționale din relativitatea generală, care necesită cele mai strânse sisteme posibile.
Pulsarul și pitica albă au mase diferite și structuri interne diferite. Gravitației, conform relativității generale, nu îi pasă de acest lucru, iar accelerarea căderii libere în câmpul gravitațional al materiei întunecate pentru ambele corpuri va fi aceeași. Dar dacă din partea acestei substanțe există încă un fel de atracție sau respingere (aceeași forță ipotetică a cincea), accelerația suplimentară dată acestora poate depinde de acești parametri. În acest caz, orbita pulsarului se va schimba treptat.
Pentru a detecta astfel de schimbări, echipa lui Shao a procesat rezultatele a mai mult de 20 de ani de observații ale sistemului cu radiotelescoape incluse în proiectul european EPTA și NANOGrav american. Nu s-au putut detecta modificări ale orbitei. Aceasta înseamnă că, în cazul unui sistem specific dat și al materiei întunecate înconjurătoare, principiul slab al echivalenței este îndeplinit cu aproximativ aceeași precizie ca în experimentul „lunar”.
Cu toate acestea, ideea poate fi că densitatea materiei întunecate nu a fost suficient de mare. „Terenul de testare” ideal ar fi centrul galaxiei, unde materia întunecată se acumulează datorită atracției puternice din materia obișnuită. Pe baza acestui fapt, echipa caută un pulsar adecvat la 10 parsec de centrul Căii Lactee. O astfel de constatare ar putea crește precizia experimentului cu mai multe ordine de mărime.
Să ne amintim că Vesti. Nauka a scris deja despre o interacțiune ipotetică non-gravitațională a materiei întunecate cu materia obișnuită și radiații. Numai că nu era vorba de influența asupra traiectoriilor corpurilor cerești, ci de alte efecte. Deci, materia întunecată poate fi responsabilă pentru excesul de pozitroni din apropierea Pământului, a razelor X ciudate din galaxii și pentru răcirea hidrogenului în universul tânăr.
Anatoly Glyantsev
