Gli scienziati hanno proposto un modo per scoprire se ci sono forze che non si manifestano nell'interazione della materia ordinaria e "emergono" solo quando si tratta di materia oscura. Si tratta dell'attrazione o repulsione aggiuntiva che viene aggiunta alla gravità.
Un team guidato da Lijing Shao del Max Planck Institute for Radio Astronomy propone di studiare le orbite dei sistemi binari di pulsar per questo scopo. Il metodo ed i primi risultati delle osservazioni sono descritti in un articolo scientifico pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.
Ricordiamo che, per quanto ne sappiamo, ci sono solo quattro interazioni fondamentali, a cui si riduce l'intera varietà di forze che agiscono in natura. Queste sono interazioni forti, deboli, elettromagnetiche e gravitazionali.
I primi due si manifestano solo a distanze inferiori al diametro del nucleo atomico. Le forze elettromagnetiche agiscono tra le particelle cariche. Danno origine a fenomeni apparentemente diversi, come, ad esempio, l'attrazione del ferro verso un magnete, l'elasticità dei solidi e la forza di attrito. Tuttavia, tali forze non influenzano il movimento di oggetti astronomici come pianeti, stelle o galassie. Pertanto, l'unica forza che un astronomo deve tenere in considerazione quando calcola il movimento dei corpi celesti è la gravità.
Tali risultati sono stati ottenuti nello studio di tutte le particelle scoperte dall'umanità. Tuttavia, la maggior parte degli esperti è sicura che esista anche materia oscura, costituita da particelle sconosciute alla scienza, e rappresenta l'80% della massa di materia nell'Universo. "Vesti. Nauka" (nauka.vesti.ru) ha parlato in dettaglio di ciò che ha portato gli scienziati a giungere a conclusioni così stravaganti.
E se la materia oscura agisse sulle traiettorie dei corpi celesti non solo attraverso la gravità, ma anche attraverso una quinta forza sconosciuta? Questa possibilità non può essere esclusa quando si tratta di particelle ipotetiche con proprietà sconosciute.
Puoi controllare questa versione allettante come questa. Il miglior modello di gravità testato finora è la Relatività Generale (GR). Fornisce previsioni dettagliate delle traiettorie dei corpi celesti. È necessario organizzare un test di una delle sue previsioni di base in due situazioni: quando l'influenza della materia oscura può certamente essere trascurata e quando è significativa. Se i risultati coincidono, possiamo dire che in entrambi i casi è coinvolta solo la gravità, descritta dalla relatività generale. Se il secondo caso è diverso dal primo, questo può essere compreso in modo tale che non solo la gravità agisce sui corpi celesti dal lato della materia oscura, ma anche qualche forza aggiuntiva di attrazione o repulsione.
Il principio stabilito da Galileo e successivamente confermato nella relatività generale ben si adatta a questo ruolo: in un dato campo gravitazionale, l'accelerazione di gravità è la stessa per tutti i corpi, indipendentemente dalla loro massa, composizione e struttura interna. Ciò significa che la massa inerte (che determina quale forza deve essere applicata al corpo per dargli una data accelerazione) è uguale alla massa gravitazionale (che crea la forza di gravità). L'ultima affermazione è nota come principio di equivalenza debole.
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Nel 2017, è stato verificato utilizzando un satellite artificiale della Terra con un errore non superiore a un trilionesimo di percento. In questo caso, secondo la maggior parte degli esperti, l'influenza della materia oscura potrebbe essere trascurata, poiché la distanza dalla Terra al satellite su scala astronomica è piccola e c'è poca materia oscura tra di loro.
L'influenza della misteriosa sostanza potrebbe essere rilevata studiando l'orbita della luna. Ma qui il debole principio di equivalenza è stato testato "solo" entro i millesimi di punto percentuale, e quindi solo grazie agli specchi installati sulla superficie di Selena. Il raggio laser da loro riflesso permette di scoprire la distanza tra la Terra e la Luna con un errore inferiore a un centimetro.
Il nuovo test, proposto dal gruppo di Shao, è relativo allo studio dell'orbita di un sistema binario, uno dei componenti del quale è una pulsar. Fino ad ora, nessuno ha usato le stelle di neutroni per cercare la quinta forza dalla materia oscura.
"Ci sono due ragioni per cui le pulsar binarie aprono un modo completamente nuovo di testare una tale quinta forza tra materia ordinaria e materia oscura", ha detto Shao in un comunicato stampa dallo studio. - In primo luogo, una stella di neutroni è costituita da una sostanza che non può essere creata in un laboratorio, molte volte più densa di un nucleo atomico e costituita quasi interamente da neutroni. Inoltre, gli enormi campi gravitazionali all'interno di una stella di neutroni, un miliardo di volte più forti di quello del Sole, potrebbero, in linea di principio, migliorare significativamente l'interazione [di una stella di neutroni] con la materia oscura ".
Ricorda che i segnali delle pulsar arrivano con una periodicità rigorosa, a volte con una precisione fino a nanosecondi. A causa del movimento della stella di neutroni nella sua orbita, il tempo di arrivo degli impulsi viene spostato, il che consente di ripristinare i parametri della traiettoria. Le orbite delle pulsar più stabili possono essere calcolate con un errore inferiore a 30 metri.
Particolarmente adatta in questo senso è la stella di neutroni PSR J1713 + 0747, situata a circa 3800 anni luce dalla Terra. È una delle pulsar più stabili conosciute dall'umanità, con un periodo tra gli impulsi di soli 4,6 millisecondi. PSR J1713 + 0747 è un sistema binario con una nana bianca. È particolarmente fortunato che il periodo del moto orbitale della pulsar sia fino a 68 giorni terrestri.
Spieghiamo che più lungo è il periodo orbitale, più sensibile è il sistema alla violazione del principio di equivalenza debole. Questa è la differenza con i test di previsione convenzionali nella relatività generale, che richiedono i sistemi più rigidi possibili.
La pulsar e la nana bianca hanno masse e strutture interne differenti. La gravità, secondo la relatività generale, non se ne cura e l'accelerazione della caduta libera nel campo gravitazionale della materia oscura per entrambi i corpi sarà la stessa. Ma se dal lato di questa sostanza c'è ancora qualche tipo di attrazione o repulsione (la stessa ipotetica quinta forza), l'accelerazione aggiuntiva data loro può dipendere da questi parametri. In questo caso, l'orbita della pulsar cambierà gradualmente.
Per rilevare tali cambiamenti, il team di Shao ha elaborato i risultati di oltre 20 anni di osservazioni del sistema con radiotelescopi inclusi nel progetto europeo EPTA e nell'americano NANOGrav. Nessun cambiamento nell'orbita potrebbe essere rilevato. Ciò significa che nel caso di un dato sistema specifico e della materia oscura circostante, il principio debole di equivalenza viene soddisfatto con approssimativamente la stessa accuratezza dell'esperimento "lunare".
Tuttavia, il punto potrebbe essere che la densità della materia oscura qui non era abbastanza alta. Il "banco di prova" ideale sarebbe il centro della Galassia, dove la materia oscura si accumula a causa della potente attrazione della materia ordinaria. Sulla base di ciò, il team sta cercando una pulsar adatta entro 10 parsec dal centro della Via Lattea. Una tale scoperta potrebbe aumentare la precisione dell'esperimento di diversi ordini di grandezza.
Ricordiamo che Vesti. Nauka ha già scritto di un'ipotetica interazione non gravitazionale della materia oscura con la materia ordinaria e la radiazione. Solo non si trattava dell'influenza sulle traiettorie dei corpi celesti, ma di altri effetti. Quindi, la materia oscura potrebbe essere responsabile dell'eccesso di positroni vicino alla Terra, strani raggi X dalle galassie e il raffreddamento dell'idrogeno nell'universo giovane.
Anatoly Glyantsev
