Pulsar omezuje interakce „páté síly“ s temnou hmotou

Nedávný experiment k lepšímu pochopení povahy temné hmoty omezuje možnou „pátou sílu“ přírody téměř na nulu.

Umělcova ilustrace ukazuje, jak by vypadal pulsar PSR J1713 + 0747 a jeho bílý trpaslík.
ESO / L. Calçada

Vědci nedávno studovali pulsarový binární systém, který omezil existenci hypotetické páté základní síly přírody.

Již víme o čtyřech základních silách: gravitace, elektromagnetismus a silné a slabé jaderné síly. Ve vesmíru však existují určité účinky, které nemohou být vysvětleny pouze těmito silami. Například experiment 2016 v Maďarsku ukázal neočekávané chování při rozkladu jader v izotypu beryllium-8. (Po střelbě protonů na lithiovou fólii pozorovatelé viděli, jak se více elektron-pozitronových párů vypuzuje v úhlu 140 stupňů, což je obtížné vysvětlit standardními teoriemi jaderné fyziky.)

Jednou z možností je existence „páté síly“ přírody, která řídí chování elementárních částic podél ostatních čtyř sil. Někteří vědci naznačují, že tato síla by mohla působit na temnou hmotu, neviditelnou látku, která tvoří většinu hmoty vesmíru. Můžeme vidět účinky temné hmoty na běžnou hmotu, ale přímá detekce vědcům unikla a to, z čeho se skládá, zůstává neznámé.

Testování na pátou sílu

Jedna výzkumná skupina testovala na pátou sílu pomocí pulsaru a jeho bílého trpasličího společníka. Pulsary, jejichž atomy byly zhutněny do neutronů, jsou tak husté, že jejich extrémní gravitační pole by mohlo posílit jakékoli možné interakce s temnou hmotou. Bílý trpaslík, i když stále drží atomy, sardinek, není tak kompaktní. Obecná relativnost předpovídá, že normální hmota by měla volně padat k temné hmotě, ale pátá síla, která má schopnost interagovat s normální i temnou hmotou, by mohla posílit nebo snížit tah temné hmoty. Pokud existuje pátá síla, temná hmota Mléčné dráhy, jejíž hustota by měla vrcholit v galaktickém středu, by různými způsoby přitáhla neutronovou hvězdu a bílého trpaslíka a mírně změnila jejich oběžnou dráhu.

Vědci si vybrali binární pulsar PSR J1713 + 0747, což je 3 800 světelných let od Země, ležící ve směru galaktického centra. Předpokládá se, že temná hmota je více obyvatelná směrem k srdci galaxie, takže binární systém pulsaru poskytuje ideální test, jak by pátá síla působila na temnou hmotu a standardní hmotu. Vědci chtěli zjistit, zda se pohyby pulsaru a bílého trpaslíka budou lišit, když se budou obíhat.

"Pokud existuje pátá síla, která působí mezi temnou hmotou a standardní hmotou, nebylo by to univerzální, " říká Lijing Shao (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Germany). „To by tedy vytvořilo zjevný rozdíl pro neutronovou hvězdu a bílého trpaslíka při jejich volném pádu k temné hmotě. Oběžná dráha neutronové hvězdy by tedy byla jiná, než předpovídá obecná relativita.“

Použitím 20 let rádiových pozorování tohoto systému vědci dospěli k závěru, že pokud existuje pátá síla, musí mít méně než 1% gravitační síly. (A gravitace je již nejslabší ze čtyř známých sil.) Výsledky se objevují v dopisech Fyzické recenze.

Vědci také zjistili, že limity hustoty temné hmoty v tomto pulsarovém systému byly podobné jiným testům blíže k Zemi. Jinými slovy, tým neprokázal ani vyvrátil jiná pozorování, která ukazují, že hustota temné hmoty se zvyšuje směrem ke středu galaxie.

Za relativitou

Aur lien Hees (Pařížská observatoř), která se studie nezúčastnila, uvedla, že tato práce jako první zkoumá interakce mezi hypotetickou pátou silou a temnou hmotou tímto způsobem. Krátká doba rotace pulsaru pouhých 4, 6 milisekundy a její stabilní rotace z něj učinily dobrého kandidáta pro omezení účinků páté síly, řekl.

Pátou silou vysvětluje: „Očekáváme, že uvidíme něco trochu nad relativitou. Snažíme se to hledat se všemi pozorováními dostupnými ze Země.“

Shao říká, že jeho tým doufá, že bude studovat více binárních pulsarů blíže ke středu galaxie, aby lépe porozuměl účinkům temné hmoty. Na rozdíl od většiny testů obecné relativity, v tomto případě vědci chtějí najít pulsary pohybující se relativně pomalu na oběžné dráze kolem svého společníka. Výzvou je samozřejmě najít pulsary na prvním místě. Navrhl průlom, který nastane, až bude citlivější náměstí Kilometer Array připraveno v roce 2020. „Větší radioteleskopy a pole jsou lepší, protože přesněji měří čas příjezdu [pulsar signálu], “ řekl Shao.