Wetenschappers hebben een manier voorgesteld om erachter te komen of er krachten zijn die zich niet manifesteren in de interactie van gewone materie en alleen 'opduiken' als het om donkere materie gaat. Het gaat om de extra aantrekkingskracht of afstoting die aan de zwaartekracht wordt toegevoegd.
Een team onder leiding van Lijing Shao van het Max Planck Institute for Radio Astronomy stelt voor om voor dit doel de banen van binaire pulsarsystemen te bestuderen. De methode en de eerste resultaten van observaties worden beschreven in een wetenschappelijk artikel gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.
Laten we eraan herinneren dat, voor zover we weten, er slechts vier fundamentele interacties zijn, waartoe de hele verscheidenheid aan krachten die in de natuur werken, wordt gereduceerd. Dit zijn sterke, zwakke, elektromagnetische en gravitatie-interacties.
De eerste twee verschijnen alleen op afstanden die kleiner zijn dan de diameter van de atoomkern. Elektromagnetische krachten werken tussen geladen deeltjes. Ze veroorzaken ogenschijnlijk verschillende verschijnselen zoals bijvoorbeeld de aantrekkingskracht van ijzer op een magneet, de elasticiteit van vaste stoffen en de wrijvingskracht. Dergelijke krachten hebben echter geen invloed op de beweging van astronomische objecten zoals planeten, sterren of sterrenstelsels. Daarom is de enige kracht waarmee een astronoom rekening moet houden bij het berekenen van de beweging van hemellichamen, de zwaartekracht.
Dergelijke resultaten werden verkregen bij de studie van alle deeltjes die door de mensheid zijn ontdekt. De meeste experts zijn er echter zeker van dat er ook donkere materie is, bestaande uit deeltjes die de wetenschap niet kent, en die 80% van de massa van materie in het heelal uitmaakt. "Vesti. Nauka" (nauka.vesti.ru) sprak in detail over de reden waarom wetenschappers tot zulke extravagante conclusies kwamen.
Wat als donkere materie inwerkt op de banen van hemellichamen, niet alleen door zwaartekracht, maar ook door een onbekende vijfde kracht? Deze mogelijkheid kan niet worden uitgesloten als het gaat om hypothetische deeltjes met onbekende eigenschappen.
Je kunt deze verleidelijke versie zo bekijken. Het best geteste zwaartekrachtmodel tot nu toe is de algemene relativiteitstheorie (GR). Ze geeft gedetailleerde voorspellingen van de banen van hemellichamen. Het is nodig om een van de basisvoorspellingen in twee situaties te testen: wanneer de invloed van donkere materie zeker kan worden verwaarloosd en wanneer deze significant is. Als de resultaten samenvallen, kunnen we zeggen dat in beide gevallen alleen de zwaartekracht, beschreven door de algemene relativiteitstheorie, betrokken is. Als het tweede geval verschilt van het eerste, kan dit zo worden begrepen dat niet alleen de zwaartekracht inwerkt op hemellichamen vanaf de kant van donkere materie, maar ook een extra aantrekkingskracht of afstoting.
Deze rol past goed bij het principe dat door Galileo is vastgesteld en later is bevestigd in de algemene relativiteitstheorie: in een bepaald zwaartekrachtveld is de versnelling van de zwaartekracht hetzelfde voor alle lichamen, ongeacht hun massa, samenstelling en interne structuur. Dit betekent dat de inerte massa (die bepaalt welke kracht op het lichaam moet worden uitgeoefend om het een bepaalde versnelling te geven) gelijk is aan de zwaartekracht (die de zwaartekracht creëert). De laatste verklaring staat bekend als het zwakke equivalentieprincipe.
Promotie video:
In 2017 werd het geverifieerd met behulp van een kunstmatige aardse satelliet met een fout van niet meer dan een biljoenste van een procent. In dit geval zou volgens de meeste experts de invloed van donkere materie kunnen worden verwaarloosd, aangezien de afstand van de aarde tot de satelliet op astronomische schaal klein is en er weinig donkere materie tussen zit.
De invloed van de mysterieuze substantie kon worden gedetecteerd door de baan van de maan te bestuderen. Maar hier is het zwakke gelijkwaardigheidsprincipe "slechts" getest tot op duizendsten van een procent, en dan alleen dankzij de spiegels die op het oppervlak van Selena zijn geïnstalleerd. De door hen gereflecteerde laserstraal maakt het mogelijk om de afstand tussen de aarde en de maan te achterhalen met een fout van minder dan een centimeter.
De nieuwe test, voorgesteld door Shao's groep, omvat het bestuderen van de baan van een binair systeem, waarvan een van de componenten een pulsar is. Tot nu toe heeft niemand neutronensterren gebruikt om de vijfde kracht uit donkere materie te zoeken.
"Er zijn twee redenen waarom binaire pulsars een geheel nieuwe manier openen om zo'n vijfde kracht tussen gewone materie en donkere materie te testen", zei Shao in een persbericht van de studie. - Ten eerste bestaat een neutronenster uit een stof die niet in een laboratorium kan worden gemaakt, vele malen dichter dan een atoomkern en bijna geheel uit neutronen bestaat. Bovendien zouden de enorme zwaartekrachtvelden in een neutronenster, een miljard keer sterker dan die van de zon, in principe de interactie [van een neutronenster] met donkere materie aanzienlijk kunnen versterken."
Laten we niet vergeten dat signalen van pulsars met een strikte periodiciteit binnenkomen, soms met een nauwkeurigheid van nanoseconden. Door de beweging van de neutronenster in zijn baan, wordt de aankomsttijd van de pulsen verschoven, wat het mogelijk maakt om de parameters van het traject te herstellen. De banen van de meest stabiele pulsars kunnen worden berekend met een fout van minder dan 30 meter.
Bijzonder geschikt in deze zin is de neutronenster PSR J1713 + 0747, die zich op ongeveer 3800 lichtjaar van de aarde bevindt. Het is een van de meest stabiele pulsars die de mensheid kent, met een periode tussen pulsen van slechts 4,6 milliseconden. PSR J1713 + 0747 is een binair systeem met een witte dwerg. Het is vooral een geluk dat de periode van de orbitale beweging van de pulsar maar liefst 68 aardse dagen bedraagt.
Laten we uitleggen dat hoe langer de omlooptijd is, hoe gevoeliger het systeem is voor schending van het zwakke equivalentiebeginsel. Dit is het verschil met conventionele voorspellingstests in de algemene relativiteitstheorie, die zo strak mogelijke systemen vereisen.
De pulsar en de witte dwerg hebben verschillende massa's en verschillende interne structuren. De zwaartekracht geeft hier volgens de algemene relativiteitstheorie niet om, en de versnelling van de vrije val in het zwaartekrachtveld van donkere materie zal voor beide lichamen hetzelfde zijn. Maar als er van de kant van deze substantie nog steeds een soort aantrekking of afstoting is (diezelfde hypothetische vijfde kracht), kan de extra versnelling die eraan wordt gegeven afhangen van deze parameters. In dit geval zal de baan van de pulsar geleidelijk veranderen.
Om dergelijke veranderingen op te sporen, verwerkte het team van Shao de resultaten van meer dan 20 jaar observaties van het systeem met radiotelescopen die deel uitmaken van het Europese EPTA-project en het Amerikaanse NANOGrav. Er konden geen veranderingen in de baan worden gedetecteerd. Dit betekent dat in het geval van een bepaald specifiek systeem en de omringende donkere materie, aan het zwakke gelijkwaardigheidsbeginsel wordt voldaan met ongeveer dezelfde nauwkeurigheid als in het "maan" -experiment.
Het punt kan echter zijn dat de dichtheid van donkere materie hier niet hoog genoeg was. De ideale "proeftuin" zou het centrum van de Melkweg zijn, waar donkere materie zich ophoopt vanwege de krachtige aantrekkingskracht van gewone materie. Op basis hiervan zoekt het team naar een geschikte pulsar binnen 10 parsecs van het centrum van de Melkweg. Een dergelijke bevinding zou de nauwkeurigheid van het experiment met verschillende ordes van grootte kunnen vergroten.
Bedenk dat "Vesti. Nauka" al heeft geschreven over de hypothetische niet-gravitatie-interactie van donkere materie met gewone materie en straling. Alleen ging het niet om de invloed op de banen van hemellichamen, maar om andere effecten. Donkere materie kan dus verantwoordelijk zijn voor het teveel aan positronen nabij de aarde, vreemde röntgenstralen van sterrenstelsels en de afkoeling van waterstof in het jonge universum.
Anatoly Glyantsev
