Naukowcy zaproponowali sposób sprawdzenia, czy istnieją siły, które nie przejawiają się w oddziaływaniu zwykłej materii i „wyłaniają się” dopiero w przypadku ciemnej materii. Chodzi o dodatkowe przyciąganie lub odpychanie, które jest dodawane do grawitacji.
Zespół kierowany przez Lijing Shao z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka proponuje w tym celu zbadanie orbit podwójnych systemów pulsarów. Metodę i pierwsze wyniki obserwacji opisano w artykule naukowym opublikowanym w czasopiśmie Physical Review Letters.
Przypomnijmy, że o ile wiemy, istnieją tylko cztery podstawowe oddziaływania, do których sprowadza się cała różnorodność sił działających w przyrodzie. Są to oddziaływania silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne.
Pierwsze dwa pojawiają się tylko w odległościach mniejszych niż średnica jądra atomowego. Siły elektromagnetyczne działają między naładowanymi cząstkami. Przyczyniają się do tak pozornie odmiennych zjawisk, jak np. Przyciąganie żelaza do magnesu, elastyczność ciał stałych czy siła tarcia. Jednak takie siły nie wpływają na ruch obiektów astronomicznych, takich jak planety, gwiazdy czy galaktyki. Dlatego jedyną siłą, którą astronom musi wziąć pod uwagę przy obliczaniu ruchu ciał niebieskich, jest grawitacja.
Takie wyniki uzyskano w badaniu wszystkich cząstek odkrytych przez ludzkość. Jednak większość ekspertów jest przekonana, że istnieje również ciemna materia, składająca się z cząstek nieznanych nauce, która stanowi 80% masy materii we Wszechświecie. „Vesti. Nauka” (nauka.vesti.ru) szczegółowo opowiedział o tym, dlaczego naukowcy doszli do tak ekstrawaganckich wniosków.
A jeśli ciemna materia oddziałuje na trajektorie ciał niebieskich nie tylko przez grawitację, ale także przez nieznaną piątą siłę? Nie można wykluczyć takiej możliwości, jeśli chodzi o hipotetyczne cząstki o nieznanych właściwościach.
Możesz sprawdzić tę kuszącą wersję w ten sposób. Najlepszym jak dotąd przetestowanym modelem grawitacji jest Ogólna Teoria Względności (GR). Podaje szczegółowe prognozy trajektorii ciał niebieskich. Konieczne jest zorganizowanie testu jednego z jego podstawowych przewidywań w dwóch sytuacjach: kiedy wpływ ciemnej materii można z pewnością zaniedbać i kiedy jest znaczący. Jeśli wyniki są zbieżne, możemy powiedzieć, że w obu przypadkach chodzi tylko o grawitację opisaną przez ogólną teorię względności. Jeśli drugi przypadek różni się od pierwszego, można to rozumieć w taki sposób, że nie tylko grawitacja działa na ciała niebieskie od strony ciemnej materii, ale także dodatkowa siła przyciągania lub odpychania.
Rola ta jest zgodna z zasadą ustaloną przez Galileusza i później potwierdzoną w ogólnej teorii względności: w danym polu grawitacyjnym przyspieszenie grawitacyjne jest takie samo dla wszystkich ciał, niezależnie od ich masy, składu i budowy wewnętrznej. Oznacza to, że masa bezwładna (która określa jaką siłę należy przyłożyć do ciała, aby nadać mu dane przyspieszenie) jest równa masie grawitacyjnej (która tworzy siłę grawitacji). Ostatnie stwierdzenie znane jest jako zasada słabej równoważności.
Film promocyjny:
W 2017 roku został zweryfikowany przy użyciu sztucznego satelity Ziemi z błędem nie większym niż jedna bilionowa procenta. W tym przypadku zdaniem większości ekspertów można zaniedbać wpływ ciemnej materii, ponieważ odległość od Ziemi do satelity w skali astronomicznej jest niewielka, a między nimi jest mało ciemnej materii.
Wpływ tajemniczej substancji można było wykryć, badając orbitę księżyca. Ale tutaj słaba zasada równoważności została przetestowana „tylko” z dokładnością do tysięcznych procenta, i to tylko dzięki lusterkom zamontowanym na powierzchni Seleny. Odbita przez nie wiązka lasera pozwala określić odległość Ziemi od Księżyca z błędem mniejszym niż centymetr.
Nowy test, zaproponowany przez grupę Shao, obejmuje badanie orbity układu podwójnego, którego jednym z elementów jest pulsar. Do tej pory nikt nie wykorzystał gwiazd neutronowych do poszukiwania piątej siły z ciemnej materii.
„Istnieją dwa powody, dla których pulsary podwójne otwierają zupełnie nowy sposób testowania takiej piątej siły między zwykłą materią a ciemną materią” - powiedział Shao w komunikacie prasowym z badania. - Po pierwsze, gwiazda neutronowa składa się z substancji, której nie można wytworzyć w laboratorium, wielokrotnie gęstszej niż jądro atomowe i składającej się prawie wyłącznie z neutronów. Co więcej, ogromne pola grawitacyjne wewnątrz gwiazdy neutronowej, miliard razy silniejsze niż Słońce, mogłyby w zasadzie znacząco wzmocnić interakcję [gwiazdy neutronowej] z ciemną materią."
Przypomnij sobie, że sygnały z pulsarów docierają ze ścisłą częstotliwością, czasami z dokładnością do nanosekund. Ruch gwiazdy neutronowej na jej orbicie powoduje przesunięcie czasu nadejścia impulsów, co umożliwia przywrócenie parametrów trajektorii. Orbity najbardziej stabilnych pulsarów można obliczyć z błędem mniejszym niż 30 metrów.
W tym sensie szczególnie odpowiednia jest gwiazda neutronowa PSR J1713 + 0747, znajdująca się około 3800 lat świetlnych od Ziemi. Jest to jeden z najbardziej stabilnych pulsarów znanych ludzkości, z okresem między impulsami wynoszącym zaledwie 4,6 milisekundy. PSR J1713 + 0747 to system binarny z białym karłem. Szczególnie szczęśliwy jest fakt, że okres ruchu orbitalnego pulsara to aż 68 ziemskich dni.
Wyjaśnijmy, że im dłuższy okres orbitalny, tym system jest bardziej wrażliwy na naruszenie zasady słabej równoważności. Na tym polega różnica w porównaniu z konwencjonalnymi testami predykcyjnymi w ogólnej teorii względności, które wymagają możliwie wąskich systemów.
Pulsar i biały karzeł mają różne masy i różne struktury wewnętrzne. Grawitacja, zgodnie z ogólną teorią względności, nie dba o to, a przyspieszenie swobodnego spadku w polu grawitacyjnym ciemnej materii dla obu ciał będzie takie samo. Ale jeśli od strony tej substancji nadal występuje jakieś przyciąganie lub odpychanie (ta sama hipotetyczna piąta siła), to dodatkowe przyspieszenie im nadane może zależeć od tych parametrów. W takim przypadku orbita pulsara będzie się stopniowo zmieniać.
Aby wykryć takie zmiany, zespół Shao przetworzył wyniki ponad 20 lat obserwacji systemu za pomocą radioteleskopów z europejskiego projektu EPTA i amerykańskiego NANOGrav. Nie można było wykryć żadnych zmian na orbicie. Oznacza to, że w przypadku danego konkretnego układu i otaczającej go ciemnej materii, słaba zasada równoważności jest spełniana z mniej więcej taką samą dokładnością, jak w eksperymencie „księżycowym”.
Chodzi jednak o to, że gęstość ciemnej materii tutaj nie była wystarczająco wysoka. Idealnym „poligonem doświadczalnym” byłoby centrum Galaktyki, w którym gromadzi się ciemna materia z powodu silnego przyciągania zwykłej materii. Na tej podstawie zespół szuka odpowiedniego pulsara w promieniu 10 parseków od centrum Drogi Mlecznej. Takie odkrycie mogłoby zwiększyć dokładność eksperymentu o kilka rzędów wielkości.
Przypomnijmy, że „Vesti. Nauka” już pisała o hipotetycznym niegrawitacyjnym oddziaływaniu ciemnej materii ze zwykłą materią i promieniowaniem. Tyle że nie chodziło o wpływ na trajektorie ciał niebieskich, ale o inne efekty. Zatem ciemna materia może być odpowiedzialna za nadmiar pozytonów w pobliżu Ziemi, dziwne promieniowanie rentgenowskie z galaktyk i chłodzenie wodoru w młodym wszechświecie.
Anatoly Glyantsev