Учените са предложили начин да разберат дали има сили, които не се проявяват при взаимодействието на обикновената материя и "изплуват" само когато става въпрос за тъмна материя. Става въпрос за допълнителното привличане или отблъскване, което се добавя към гравитацията.
Екип, ръководен от Лиджинг Шао от Института по радиоастрономия „Макс Планк“, предлага да проучи орбитите на бинарните пулсарни системи за тази цел. Методът и първите резултати от наблюденията са описани в научна статия, публикувана в списанието Physical Review Letters.
Припомнете си, че доколкото знаем, съществуват само четири основни взаимодействия, до които се свежда цялото разнообразие от сили, действащи в природата. Това са силни, слаби, електромагнитни и гравитационни взаимодействия.
Първите две се появяват само на разстояния, по-малки от диаметъра на атомното ядро. Между заредените частици действат електромагнитни сили. Те пораждат такива на пръв поглед различни явления, като например привличането на желязо към магнит, еластичността на твърдите вещества и силата на триене. Такива сили обаче не оказват влияние върху движението на астрономически обекти като планети, звезди или галактики. Следователно единствената сила, която астрономът трябва да вземе предвид, когато изчислява движението на небесните тела, е гравитацията.
Такива резултати са получени при изследването на всички частици, открити от човечеството. Повечето експерти обаче са сигурни, че има и тъмна материя, състояща се от непознати на науката частици, и тя представлява 80% от масата на материята във Вселената. "Vesti. Nauka" (nauka.vesti.ru) разказа подробно за това какво е накарало учените да стигнат до такива екстравагантни заключения.
Ами ако тъмната материя действа върху траекториите на небесните тела не само чрез гравитацията, но и чрез неизвестна пета сила? Тази възможност не може да бъде изключена, когато става въпрос за хипотетични частици с неизвестни свойства.
Можете да проверите тази примамлива версия по този начин. Най-добре тестваният гравитационен модел до момента е General Relativity (GR). Тя дава подробни прогнози за траекториите на небесните тела. Необходимо е да се организира тест на една от основните му прогнози в две ситуации: когато влиянието на тъмната материя със сигурност може да бъде пренебрегнато и когато е значително. Ако резултатите съвпадат, можем да кажем, че и в двата случая се включва само гравитацията, описана с обща теория на относителността. Ако вторият случай се различава от първия, това може да се разбере по такъв начин, че не само гравитацията да действа върху небесните тела от страна на тъмната материя, но и някаква допълнителна сила на привличане или отблъскване.
Принципът, установен от Галилей и потвърден по-късно в общата теория на относителността, е много подходящ за тази роля: в дадено гравитационно поле ускорението на гравитацията е еднакво за всички тела, независимо от тяхната маса, състав и вътрешна структура. Това означава, че инертната маса (която определя каква сила трябва да се приложи към тялото, за да му се даде дадено ускорение) е равна на гравитационната маса (която създава силата на гравитацията). Последното твърдение е известно като принцип на слаба еквивалентност.
Промоционално видео:
През 2017 г. беше проверено с помощта на изкуствен спътник на Земята с грешка не повече от една трилионна част от процента. В този случай, според повечето експерти, влиянието на тъмната материя може да бъде пренебрегнато, тъй като разстоянието от Земята до спътника в астрономически мащаб е малко и между тях има малко тъмна материя.
Влиянието на мистериозното вещество може да бъде открито чрез изучаване на орбитата на Луната. Но тук слабият принцип на еквивалентност е тестван „само“с точност до хилядни от процента и то само благодарение на огледалата, инсталирани на повърхността на Селена. Отразеният от тях лазерен лъч дава възможност да се установи разстоянието между Земята и Луната с грешка по-малка от сантиметър.
Новият тест, предложен от групата на Шао, е свързан с изследването на орбитата на двоична система, един от компонентите на която е пулсар. Досега никой не е използвал неутронни звезди за търсене на петата сила от тъмната материя.
"Има две причини, поради които двоичните пулсари откриват изцяло нов начин за тестване на такава пета сила между обикновената материя и тъмната материя", каза Шао в съобщение за пресата от изследването. - Първо, неутронната звезда се състои от материя, която не може да бъде създадена в лаборатория, много пъти по-плътна от атомно ядро и състояща се почти изцяло от неутрони. Освен това огромните гравитационни полета в неутронната звезда, милиард пъти по-силни от тези на Слънцето, по принцип биха могли значително да подобрят взаимодействието [на неутронна звезда] с тъмната материя."
Спомнете си, че сигналите от пулсарите пристигат със строга периодичност, понякога с точност до наносекунди. Поради движението на неутронната звезда в нейната орбита времето на пристигане на импулсите се измества, което прави възможно възстановяването на параметрите на траекторията. Орбитите на най-стабилните пулсари могат да бъдат изчислени с грешка по-малка от 30 метра.
Особено подходяща в този смисъл е неутронната звезда PSR J1713 + 0747, разположена на около 3800 светлинни години от Земята. Това е един от най-стабилните пулсари, познати на човечеството, с период между импулсите от само 4,6 милисекунди. PSR J1713 + 0747 е двоична система с бяло джудже. Особено щастлив е, че периодът на орбиталното движение на пулсара е цели 68 земни дни.
Нека обясним, че колкото по-дълъг е орбиталният период, толкова по-чувствителна е системата към нарушаване на принципа на слаба еквивалентност. Това е разликата с конвенционалните тестове за прогнозиране в общата теория на относителността, които изискват възможно най-строгите системи.
Пулсарът и бялото джудже имат различни маси и различни вътрешни структури. Гравитацията, според общата теория на относителността, не се интересува от това и ускорението на свободното падане в гравитационното поле на тъмната материя и за двете тела ще бъде еднакво. Но ако от страна на това вещество все още има някакво привличане или отблъскване (същата хипотетична пета сила), допълнителното ускорение, което им се дава, може да зависи от тези параметри. В този случай орбитата на пулсара постепенно ще се промени.
За да открие такива промени, екипът на Шао обработи резултатите от повече от 20 години наблюдения на системата с радиотелескопи, включени в европейския проект EPTA и американския NANOGrav. Не могат да бъдат открити промени в орбитата. Това означава, че в случай на дадена специфична система и околната тъмна материя, слабият принцип на еквивалентност се изпълнява с приблизително същата точност, както при „лунния” експеримент.
Въпросът обаче може да е, че плътността на тъмната материя тук не е била достатъчно висока. Идеалният „полигон“би бил центърът на Галактиката, където се натрупва тъмна материя поради мощното привличане от обикновената материя. Въз основа на това екипът търси подходящ пулсар в рамките на 10 парсека от центъра на Млечния път. Подобна находка би могла да увеличи точността на експеримента с няколко порядъка.
Спомнете си, че "Вести. Наука" вече писа за хипотетичното негравитационно взаимодействие на тъмната материя с обикновената материя и радиацията. Само че не ставаше дума за влиянието върху траекториите на небесните тела, а за други ефекти. По този начин тъмната материя може да е отговорна за излишъка от позитрони близо до Земята, странните рентгенови лъчи от галактиките и охлаждането на водорода в младата Вселена.
Анатолий Глянцев
