Является ли темная материя источником еще неизвестной силы в дополнение к гравитации? Таинственная темная материя мало изучена и попытка понять ее свойства является важной задачей в современной физике и астрофизике.

Исследователи из Института радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне, Германия, предложили новый эксперимент, который рассматривает сверхплотные звезды, чтобы узнать больше о взаимодействии темной материи с обычным веществом.

Схематическое изображение пульсара, падающего в гравитационное поле Млечного пути. Две стрелки указывают направление силы притяжения, направленной на обычную материю – звезды, газ и т.д. (желтая стрелка) и в направлении сферического распределения темной материи (серая стрелка). Вопрос в том, притягивает ли темная материя пульсар только гравитацией или, помимо силы тяжести, действует еще неизвестная «пятая сила»? Credit: Norbert Wex, with Milky Way Image by R. Hurt (SSC), JPL-Caltech, NASA and pulsar image by NASA

Этот эксперимент уже обеспечивает некоторое улучшение в понимании свойств темной материи, но еще больший прогресс обещают исследования центра нашего Млечного Пути, которые в настоящее время ведутся. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Примерно в 1600 году эксперименты Галилея Галилея привели его к выводу, что в гравитационном поле Земли все тела, независимо от их массы и химического состава, испытывают одинаковое ускорение.

Исаак Ньютон провел эксперименты с маятником, сделанным из различных материалов для проверки так называемой универсальности свободного падения и достиг точности 1: 1000.

Совсем недавно спутниковый эксперимент MICROSCOPE сумел подтвердить универсальность свободного падения в гравитационном поле Земли с точностью 1: 100 трлн.

Однако эти эксперименты могли только проверить универсальность свободного падения применительно к обычному веществу, из которой состоит сама Земля, в составе которой преобладает железо (32 процента), кислород (30 процентов), кремний (15 процентов) и магний (14 процентов). Однако в больших масштабах обычная материя, по-видимому, представляет собой лишь небольшую часть материи и энергии во Вселенной.

Считается, что так называемая темная материя составляет около 80 процентов материи нашей Вселенной. До сегодняшнего дня темная материя не наблюдалась непосредственно. Ее присутствие только косвенно вытекает из различных астрономических наблюдений, таких как вращение галактик, движение скоплений галактик и гравитационных линз.

Фактическая природа темной материи является одним из наиболее важных вопросов современной науки. Многие физики считают, что темная материя состоит из пока еще неоткрытых субатомных частиц.

С неизвестной природой темной материи возникает еще один важный вопрос: является ли гравитация единственным дальним взаимодействием между обычным веществом и темной материей?

Другими словами, имеет ли значение только пространственно-временная кривизна, вызванная темной материей, или есть другая сила, которая тянет обычное вещество к темной материи или, возможно, даже отталкивает ее и тем самым уменьшает общее притяжение между обычной и темной материей.

Это означало бы нарушение универсальности свободного падения в сторону темной материи. Эта гипотетическая сила иногда обозначается как «пятая сила», помимо известных четырех фундаментальных взаимодействий в природе (гравитация, электромагнетизм, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие).

В настоящее время существуют различные эксперименты, устанавливающие жесткие ограничения на такую пятую силу, происходящую из темной материи. Один из самых строгих экспериментов использует орбиту Земля-Луна и тесты на аномальное ускорение к галактическому центру, т. е. центру сферического гало темной материи нашей Галактики.

Высокая точность этого эксперимента обеспечивает Лунный лазерный отражатель, измеряющий расстояние до Луны с сантиметровой точностью, используя лазерные импульсы ретро-отражателей, установленных на Луне.

До сегодняшнего дня никто не проводил теста на наличие «пятой силы» с таким экзотическим объектом, как нейтронная звезда.

«Есть две причины, по которым бинарные пульсары открывают совершенно новый способ тестирования пятой силы между обычным веществом и темной материей», – говорит Лицзин Шао из Института радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне, Германия.

«Во-первых, нейтронная звезда состоит из вещества, которое невозможно создать в лаборатории, во много раз плотнее атомного ядра и состоящего почти полностью из нейтронов. Более того, огромные гравитационные поля внутри нейтронной звезды в миллиард раз сильнее, чем у Солнца, и могут в принципе значительно усилить взаимодействие с темной материей».

Орбиту бинарного пульсара можно получить с высокой точностью, измеряя время прихода радиосигналов пульсара с помощью радиотелескопов. Для некоторых пульсаров может быть достигнута точность более 100 наносекунд, что соответствует определению орбиты пульсара с точностью не более 30 метров.

Чтобы проверить универсальность свободного падения в отношении темной материи, исследовательская группа определила подходящий бинарный пульсар под названием PSR J1713 + 0747, который находится на расстоянии около 3800 световых лет от Земли.

Это пульсар с периодом вращения всего 4,6 миллисекунды является одним из самых стабильных «вертушек» среди известных пульсаров. Кроме того, он находится на почти круглой 68-дневной орбите с компаньоном – белым карликом.

В то время как астрономы обычно обращаются к тесным бинарным пульсарам с быстрым орбитальным движением при тестировании общей теории относительности, теперь исследователи изучали медленно движущийся миллисекундный пульсар на высокой орбите.

Чем больше диаметр орбиты, тем чувствительнее она реагирует на нарушение универсальности свободного падения. Если пульсар испытывает иное ускорение по отношению к темной материи, чем его компаньон, белый карлик, то со временем должна наблюдаться деформация бинарной орбиты, т. е. изменение ее эксцентриситета.

«Более чем 20-летняя регулярная высокоточная синхронизация с радиотелескопами Effelsberg, другими радиотелескопами European Pulsar Timing Array и североамериканским проектом NANOGrav с высокой точностью показала, что изменения эксцентриситета орбиты не наблюдаются, - объясняет астроном Норберт Векс. – Это означает, что в высокой степени испытывает такое же притяжение к темной материи, как и к другим формам обычного вещества».

«Чтобы сделать эти тесты еще лучше, мы активно ищем подходящие пульсары вблизи большого количества ожидаемой темной материи, – говорит Майкл Крамер, директор MPIfR. – Идеальным местом является галактический центр, где мы используем Effelsberg и другие земные телескопы, как часть нашего проекта Black Hole Cam. Сравнительно скоро нам удастся сделать эти тесты сверхточными».