Нейтронные звёзды помогут понять, обладает ли тёмная материя неведомой силой

Учёные предложили способ выяснить, существуют ли силы, которые не проявляют себя во взаимодействии обычной материи и "всплывают", только когда речь заходит о тёмной. Речь идёт о дополнительном притяжении или отталкивании, которое добавляется к гравитации. 

Команда во главе с Лицзин Шао (Lijing Shao) из Института радиоастрономии имени Макса Планка предлагает изучить с этой целью орбиты двойных систем с пульсарами. Метод и первые результаты наблюдений описаны в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Напомним, что, насколько нам известно, существует лишь четыре фундаментальных взаимодействия, к которым и сводится всё многообразие действующих в природе сил. Это сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействие.

Первые два проявляются лишь на расстояниях меньше диаметра атомного ядра. Электромагнитные силы действуют между заряженными частицами. Они порождают такие на первый взгляд разные явления, как, например, притяжение железа к магниту, упругость твёрдых тел и силу трения. Однако подобные силы не влияют на движение астрономических объектов, таких как планеты, звёзды или галактики. Поэтому единственной силой, которую нужно принимать во внимание астроному, рассчитывающему движение небесных тел, является гравитация.

Такие результаты были получены при изучении всех открытых человечеством частиц. Однако большинство специалистов уверено, что существует ещё и тёмная материя, состоящая из неизвестных науке частиц, и на неё приходится 80% массы вещества во Вселенной. "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, что заставило учёных прийти к столь экстравагантным выводам.

Что, если тёмная материя действует на траектории небесных тел не только посредством гравитации, но и через неведомую пятую силу? Такую возможность нельзя исключать, когда речь идёт о гипотетических частицах с неизвестными свойствами.

Проверить эту заманчивую версию можно так. Лучше всего протестированной моделью гравитации на сегодняшний день является общая теория относительности (ОТО). Она даёт подробные прогнозы траекторий небесных тел. Нужно устроить тест одного из её базовых предсказаний в двух ситуациях: когда влиянием тёмной материи заведомо можно пренебречь и когда оно значительно. Если результаты совпадут, можно сказать, что в обоих случаях задействована только гравитация, описываемая ОТО. Если же второй случай будет отличаться от первого, это можно понимать так, что со стороны тёмной материи на небесные тела действует не только гравитация, но и какая-то дополнительная сила притяжения или отталкивания.

На эту роль хорошо подходит принцип, установленный ещё Галилеем и позже подтверждённый в ОТО: в заданном гравитационном поле ускорение свободного падения одинаково для всех тел независимо от их массы, состава и внутреннего строения. Это означает, что инертная масса (определяющая, какую силу нужно приложить к телу, чтобы придать ему данное ускорение) равна гравитационной (создающей силу тяготения). Последнее утверждение известно как слабый принцип эквивалентности.

В 2017 году оно было проверено с помощью искусственного спутника Земли с погрешностью не более одной триллионной доли процента. В данном случае, по мнению большинства специалистов, влиянием тёмной материи можно было пренебречь, поскольку расстояние от Земли до спутника в астрономических масштабах невелико, и между ними мало тёмной материи.

Влияние загадочной субстанции можно было бы обнаружить, изучая орбиту Луны. Но здесь слабый принцип эквивалентности проверен "всего лишь" с точностью до тысячных долей процента, и то лишь благодаря установленным на поверхности Селены зеркалам. Отражённый ими лазерный луч позволяет выяснить дистанцию между Землёй и Луной с погрешностью менее сантиметра.

Новый тест, предложенный группой Шао, связан с изучением орбиты двойной системы, один из компонентов которой является пульсаром. До сих пор никто не использовал нейтронные звёзды для поиска пятой силы со стороны тёмной материи.

Напомним, что сигналы от пульсаров приходят со строгой периодичностью, иногда с точностью до наносекунд. Из-за движения нейтронной звезды по орбите время прихода импульсов сдвигается, что и позволяет восстановить параметры траектории. Орбиты самых стабильных пульсаров могут быть рассчитаны с погрешностью менее 30 метров.

Особенно подходящей в этом смысле является нейтронная звезда PSR J1713+0747, находящаяся на расстоянии около 3800 световых лет от Земли. Это один из наиболее стабильных пульсаров, известных человечеству, а период между импульсами составляет лишь 4,6 миллисекунды. PSR J1713+0747 составляет двойную систему с белым карликом. Особенно удачно, что период орбитального движения пульсара составляет целых 68 земных суток.

Поясним, что чем больше период обращения, тем чувствительнее система к нарушению слабого принципа эквивалентности. В этом разница с обычными тестами предсказаний ОТО, для которых требуются как можно более тесные системы.

У пульсара и белого карлика разная масса и разное внутреннее строение. Гравитации, согласно ОТО, на это наплевать, и ускорение свободного падения в гравитационном поле тёмной материи для обоих тел будет одним и тем же. А вот если со стороны этой субстанции оказывается ещё какое-то притяжение или отталкивание (та самая гипотетическая пятая сила), придаваемое им дополнительное ускорение может зависеть от этих параметров. В этом случае орбита пульсара будет постепенно меняться.

Чтобы выявить такие изменения, группа Шао обработала результаты более чем 20 лет наблюдений системы в радиотелескопы, входящие в европейский проект EPTA и американский NANOGrav. Никаких изменений орбиты обнаружить не удалось. Это значит, что в случае данной конкретной системы и окружающей её тёмной материи слабый принцип эквивалентности выполняется примерно с той же точностью, что и в "лунном" эксперименте.

Однако дело может быть и в том, что плотность тёмной материи здесь оказалась недостаточно высокой. Идеальным "полигоном" был бы центр Галактики, где тёмная материя скапливается благодаря мощному притяжению со стороны обычного вещества. Исходя из этого, команда ищет подходящий пульсар в пределах 10 парсеков от центра Млечного Пути. Такая находка могла бы увеличить точность эксперимента ещё на несколько порядков.