Forskere har foreslått en måte å finne ut om det er krefter som ikke manifesterer seg i samspillet mellom vanlig materie og "dukker opp" bare når det gjelder mørk materie. Det handler om den ekstra tiltrekningen eller frastøtelsen som tilføres tyngdekraften.
Et team ledet av Lijing Shao fra Max Planck Institute for Radio Astronomy foreslår å studere banene til binære pulsarsystemer for dette formålet. Metoden og de første resultatene av observasjoner er beskrevet i en vitenskapelig artikkel publisert i tidsskriftet Physical Review Letters.
Husk at, så vidt vi vet, er det bare fire grunnleggende interaksjoner, som hele variasjonen av krefter som virker i naturen er redusert. Disse er sterke, svake, elektromagnetiske og gravitasjonsinteraksjoner.
De to første manifesterer seg bare på avstander mindre enn diameteren til atomkjernen. Elektromagnetiske krefter virker mellom ladede partikler. De gir opphav til tilsynelatende forskjellige fenomener, som for eksempel jernets tiltrekning til en magnet, elastisiteten til faste stoffer og friksjonskraften. Imidlertid påvirker ikke slike krefter bevegelsen til astronomiske objekter som planeter, stjerner eller galakser. Derfor er tyngdekraften den eneste kraften som en astronom trenger å ta i betraktning når han beregner himmellegemene.
Slike resultater ble oppnådd i studien av alle partikler oppdaget av menneskeheten. Imidlertid er de fleste eksperter sikre på at det også er mørk materie, som består av partikler som er ukjente for vitenskapen, og det utgjør 80% av massen av materie i universet. "Vesti. Nauka" (nauka.vesti.ru) snakket i detalj om hva som fikk forskere til å komme til slike ekstravagante konklusjoner.
Hva om mørk materie virker på banene til himmellegemene ikke bare gjennom tyngdekraften, men også gjennom en ukjent femte kraft? Denne muligheten kan ikke utelukkes når det gjelder hypotetiske partikler med ukjente egenskaper.
Du kan sjekke denne fristende versjonen som denne. Den hittil best testede tyngdekraftsmodellen er General Relativity (GR). Hun gir detaljerte prognoser for banene til himmellegemene. Det er nødvendig å arrangere en test av en av dens grunnleggende spådommer i to situasjoner: når innflytelsen fra mørk materie absolutt kan neglisjeres, og når den er betydelig. Hvis resultatene stemmer overens, kan vi si at i begge tilfeller er bare tyngdekraften, beskrevet av generell relativitet, involvert. Hvis det andre tilfellet skiller seg fra det første, kan dette forstås på en slik måte at ikke bare tyngdekraften virker på himmellegemene fra siden av mørk materie, men også en viss ekstra tiltrekningskraft eller frastøting.
Denne rollen er godt tilpasset prinsippet etablert av Galileo og senere bekreftet i generell relativitet: i et gitt gravitasjonsfelt er tyngdekraften den samme for alle kropper, uavhengig av masse, sammensetning og indre struktur. Dette betyr at den inerte massen (som bestemmer hvilken kraft som må påføres kroppen for å gi den en gitt akselerasjon) er lik gravitasjonsmassen (som skaper tyngdekraften). Den siste uttalelsen er kjent som det svake ekvivalensprinsippet.
Kampanjevideo:
I 2017 ble den bekreftet ved hjelp av en kunstig jordssatellitt med en feil på ikke mer enn en billion billion av prosent. I dette tilfellet, ifølge de fleste eksperter, kan innflytelsen fra mørk materie bli neglisjert, siden avstanden fra jorden til satellitten i astronomisk skala er liten, og det er lite mørkt materie mellom dem.
Påvirkningen av det mystiske stoffet kunne oppdages ved å studere månens bane. Men her er det svake ekvivalensprinsippet blitt testet "bare" til innen tusendeler av en prosent, og da bare takket være speilene som er installert på overflaten av Selena. Laserstrålen som reflekteres av dem, gjør det mulig å finne ut avstanden mellom jorden og månen med en feil på mindre enn en centimeter.
Den nye testen, foreslått av Shaos gruppe, er relatert til studiet av banen til et binært system, hvor en av komponentene er en pulsar. Til nå har ingen brukt nøytronstjerner for å søke etter den femte kraften fra mørk materie.
"Det er to grunner til at binære pulsarer åpner en helt ny måte å teste en så femte kraft mellom vanlig materie og mørk materie," sa Shao i en pressemelding fra studien. - For det første består en nøytronstjerne av et stoff som ikke kan opprettes i et laboratorium, mange ganger tettere enn en atomkjerne og nesten utelukkende består av nøytroner. Videre kunne de enorme gravitasjonsfeltene inne i en nøytronstjerne, en milliard ganger sterkere enn solens, i prinsippet forbedre samspillet [av en nøytronstjerne] med mørk materie betydelig."
Husk at signaler fra pulsarer kommer med en streng periodisitet, noen ganger med en nøyaktighet på opptil nanosekunder. På grunn av bevegelsen til nøytronstjernen i bane, blir tidspunktet for ankomst av pulser forskjøvet, noe som gjør det mulig å gjenopprette parametrene til banen. Banene til de mest stabile pulsarene kan beregnes med en feil på mindre enn 30 meter.
Spesielt egnet i denne forstand er nøytronstjernen PSR J1713 + 0747, som ligger omtrent 3800 lysår fra jorden. Det er en av de mest stabile pulsarene som er kjent for menneskeheten, med en periode mellom pulser på bare 4,6 millisekunder. PSR J1713 + 0747 er et binært system med en hvit dverg. Det er spesielt heldig at perioden for pulsarens banevei er så mye som 68 jorddager.
La oss forklare at jo lengre omløpstid, jo mer følsomt er systemet for brudd på det svake ekvivalensprinsippet. Dette er forskjellen med konvensjonelle prediksjonstester av generell relativitet, som krever nærmest mulige systemer.
Pulsaren og den hvite dvergen har forskjellige masser og forskjellige indre strukturer. Tyngdekraften, ifølge generell relativitet, bryr seg ikke om dette, og akselerasjonen av fritt fall i gravitasjonsfeltet av mørk materie for begge kroppene vil være den samme. Men hvis det fremdeles er en slags tiltrekning eller frastøt fra den siden av dette stoffet (den samme hypotetiske femte kraften), kan den ekstra akselerasjonen som er gitt dem, avhenge av disse parametrene. I dette tilfellet vil banen til pulsaren gradvis endres.
For å identifisere slike endringer behandlet Shaos team resultatene av mer enn 20 års observasjoner av systemet med radioteleskoper inkludert i det europeiske EPTA-prosjektet og det amerikanske NANOGrav. Ingen endringer i bane kunne oppdages. Dette betyr at i tilfelle av et gitt spesifikt system og det omkringliggende mørke stoffet, oppfylles det svake ekvivalensprinsippet med omtrent samme nøyaktighet som i "månens" eksperiment.
Poenget kan imidlertid være at tettheten av mørk materie her ikke var høy nok. Det ideelle "testområdet" ville være sentrum av galaksen, der mørk materie akkumuleres på grunn av den kraftige tiltrekningen fra vanlig materie. Basert på dette ser teamet etter en passende pulsar innen 10 parsec fra sentrum av Melkeveien. Et slikt funn kan øke nøyaktigheten av eksperimentet med flere størrelsesordener.
Husk at "Vesti. Nauka" allerede har skrevet om den hypotetiske ikke-gravitasjonsinteraksjonen mellom mørk materie og vanlig materie og stråling. Bare det handlet ikke om innflytelsen på himmelenes baner, men andre effekter. Dermed kan mørk materie være ansvarlig for overskuddet av positroner nær Jorden, rare røntgenstråler fra galakser og avkjøling av hydrogen i det unge universet.
Anatoly Glyantsev
