Forskare har föreslagit ett sätt att ta reda på om det finns krafter som inte manifesterar sig i växelverkan mellan vanlig materia och "dyker upp" bara när det gäller mörk materia. Det handlar om den ytterligare attraktionen eller avstötningen som läggs till tyngdkraften.
Ett team som leds av Lijing Shao från Max Planck Institute for Radio Astronomy föreslår att man studerar banorna för binära pulsarsystem för detta ändamål. Metoden och de första resultaten av observationer beskrivs i en vetenskaplig artikel publicerad i tidskriften Physical Review Letters.
Kom ihåg att, så vitt vi vet, finns det bara fyra grundläggande interaktioner, till vilka alla olika krafter som verkar i naturen är reducerade. Dessa är starka, svaga, elektromagnetiska och gravitationsinteraktioner.
De två första visas endast på avstånd som är mindre än atomkärnans diameter. Elektromagnetiska krafter verkar mellan laddade partiklar. De ger upphov till till synes olika fenomen som till exempel järnets attraktion till en magnet, fasthetens elasticitet och friktionskraften. Sådana krafter påverkar dock inte rörelsen av astronomiska föremål som planeter, stjärnor eller galaxer. Därför är tyngdkraften den enda kraft som en astronom behöver ta hänsyn till vid beräkning av himmellegemernas rörelse.
Sådana resultat erhölls i studien av alla partiklar som upptäckts av mänskligheten. De flesta experter är dock säkra på att det också finns mörk materia, som består av partiklar som är okända för vetenskapen, och det står för 80% av massans massa i universum. "Vesti. Nauka" (nauka.vesti.ru) pratade i detalj om vad som fick forskare att komma till sådana extravaganta slutsatser.
Vad händer om mörk materia verkar på himmelskroppens banor inte bara genom gravitationen utan också genom en okänd femte kraft? Denna möjlighet kan inte uteslutas när det gäller hypotetiska partiklar med okända egenskaper.
Du kan kontrollera den här frestande versionen så här. Den bäst testade tyngdkraftsmodellen hittills är General Relativity (GR). Hon ger detaljerade prognoser över himmellegemernas banor. Det är nödvändigt att ordna ett test av en av dess grundläggande förutsägelser i två situationer: när påverkan av mörk materia verkligen kan försummas och när den är betydelsefull. Om resultaten sammanfaller kan vi säga att i båda fallen är endast gravitation, beskriven av allmän relativitet, inblandad. Om det andra fallet skiljer sig från det första kan detta förstås på ett sådant sätt att inte bara tyngdkraften verkar på himmelskroppar från sidan av mörk materia, utan också en viss extra attraktionskraft eller avstötning.
Denna roll är väl anpassad till den princip som Galileo har fastställt och senare bekräftats i allmän relativitet: i ett givet gravitationsfält är tyngdaccelerationen densamma för alla kroppar, oavsett deras massa, sammansättning och inre struktur. Detta betyder att den inerta massan (som bestämmer vilken kraft som måste appliceras på kroppen för att ge den en given acceleration) är lika med tyngdkraftsmassan (vilket skapar tyngdkraften). Det sista uttalandet är känt som den svaga likvärdighetsprincipen.
Kampanjvideo:
År 2017 verifierades den med hjälp av en konstgjord jordsatellit med ett fel på högst en biljon procent. I det här fallet kan enligt de flesta experter påverkan av mörk materia försummas, eftersom avståndet från jorden till satelliten i astronomisk skala är liten och det finns lite mörk materia mellan dem.
Påverkan av den mystiska substansen kunde upptäckas genom att studera månens bana. Men här har den svaga principen om likvärdighet testats "bara" till inom tusendels procent, och då bara tack vare speglarna installerade på ytan av Selena. Laserstrålen som reflekteras av dem gör det möjligt att ta reda på avståndet mellan jorden och månen med ett fel på mindre än en centimeter.
Det nya testet, som föreslagits av Shaos grupp, innebär att man studerar banan i ett binärt system, vars komponenter är en pulsar. Hittills har ingen använt neutronstjärnor för att söka efter den femte kraften från mörk materia.
"Det finns två skäl till varför binära pulsarer öppnar upp ett helt nytt sätt att testa en sådan femte kraft mellan vanlig materia och mörk materia", säger Shao i ett pressmeddelande från studien. - För det första består en neutronstjärna av ett ämne som inte kan skapas i ett laboratorium, många gånger tätare än en atomkärna och består nästan helt av neutroner. Dessutom kan de enorma gravitationsfälten inuti en neutronstjärna, en miljard gånger starkare än solens, i princip avsevärt förbättra interaktionen [av en neutronstjärna] med mörk materia."
Låt oss komma ihåg att signaler från pulsarer anländer med en strikt periodicitet, ibland med en noggrannhet på nanosekunder. På grund av neutronstjärnans rörelse i dess omlopp förskjuts pulsenas ankomsttid, vilket gör det möjligt att återställa parametrarna för banan. Banorna för de mest stabila pulserna kan beräknas med ett fel på mindre än 30 meter.
Särskilt lämplig i denna mening är neutronstjärnan PSR J1713 + 0747, som ligger cirka 3800 ljusår från jorden. Det är en av de mest stabila pulserna som är kända för mänskligheten, med en period mellan pulser på endast 4,6 millisekunder. PSR J1713 + 0747 är ett binärt system med en vit dvärg. Det är särskilt lyckligt lottat att tiden för pulsarens omloppsrörelse är så mycket som 68 jorddagar.
Låt oss förklara att ju längre omloppsperioden är, desto känsligare är systemet för brott mot den svaga ekvivalensprincipen. Detta är skillnaden med konventionella förutsägelsestester i allmän relativitet, som kräver tätast möjliga system.
Pulsaren och den vita dvärgen har olika massor och olika inre strukturer. Gravitation, enligt allmän relativitet, bryr sig inte om detta, och accelerationen av fritt fall i gravitationsfältet för mörk materia för båda kropparna kommer att vara densamma. Men om det fortfarande finns någon form av attraktion eller avstötning från denna substans (samma hypotetiska femte kraft), kan den ytterligare accelerationen som ges till dem bero på dessa parametrar. I detta fall kommer pulsarens omlopp gradvis att förändras.
För att identifiera sådana förändringar bearbetade Shaos team resultaten av mer än 20 års observationer av systemet med radioteleskop som ingår i det europeiska EPTA-projektet och det amerikanska NANOGrav. Inga förändringar i banan kunde detekteras. Detta innebär att i fallet med ett visst specifikt system och den omgivande mörka materien uppfylls den svaga principen om ekvivalens med ungefär samma noggrannhet som i "månens" experiment.
Poängen kan dock vara att densiteten av mörk materia här inte var tillräckligt hög. Den idealiska "testplatsen" skulle vara centrum för galaxen, där mörk materia ackumuleras på grund av den kraftfulla attraktionen från vanlig materia. Baserat på detta letar teamet efter en lämplig pulsar inom 10 parsec från Vintergatans centrum. Ett sådant fynd kan öka experimentets noggrannhet med flera storleksordningar.
Låt oss komma ihåg att Vesti. Nauka redan har skrivit om en hypotetisk icke-gravitationell interaktion mellan mörk materia och vanlig materia och strålning. Bara det handlade inte om påverkan på himmelskropparnas banor utan andra effekter. Så mörk materia kan vara ansvarig för överflödet av positroner nära jorden, konstiga röntgenstrålar från galaxer och kylning av väte i det unga universum.
Anatoly Glyantsev
