Астрономы используют нейтронные звезды для поиска пятой силы природы
Когда массивная звезда переживает катастрофический коллапс, ее ядро превращается в плотнейшую «кашу» из частиц. Так появляются нейтронные звезды — объекты, где вещество настолько сжато, что чайная ложка их вещества потянула бы на миллиарды тонн. Они остывают медленно, миллионы лет, и внешне в этом нет ничего драматичного. Однако именно эта неторопливость превращает их в уникальный природный эксперимент, доступный физикам лишь через телескопы.
Новое международное исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, показывает, что такие звезды могут проверить одну из самых смелых идей современной физики — существование гипотетических частиц, которые передают пятую фундаментальную силу природы. Если эта сила существует, она может изменить понимание гравитации и приблизить ученых к разгадке темной материи.
Эдоардо Витальяно, один из авторов работы, подчеркивает сложность задачи:
«Существование дополнительной пятой силы может сигнализировать о смене парадигмы в физике... однако отклонения от гравитации на мезоскопическом уровне чрезвычайно трудно исследовать».
Почему Земля не подходит
Миниатюрные отклонения от закона всемирного тяготения на лабораторных установках тонут в шуме — от вибраций до малейших температурных скачков. В космосе же условия куда «чище». В недрах нейтронных звезд невероятная плотность нуклонов. Если скалярные частицы, которые в теории не имеют спина и могут переносить новую силу, существуют, то такие объекты должны буквально производить их при каждом столкновении нейтронов и протонов. Эти частицы уносили бы тепло, ускоряя охлаждение звезды.
Именно поэтому исследователи создали подробные модели эволюции нейтронных звезд и добавили в расчеты возможность излучения скалярных частиц. Затем ученые сверили расчеты с реальными объектами, включая рентгеновские источники из группы «Великолепная семерка» и пульсар PSR J0659.
Авторы подчеркивают:
«Мы впервые показали, что старые нейтронные звезды накладывают исключительно жесткие ограничения на скалярно-нуклонные взаимодействия — более чем на порядок сильнее прежних».
Что показали сравнения
Ученые подошли к задаче как к простой проверке. Если бы новые частицы действительно взаимодействовали с веществом внутри нейтронной звезды, то они уносили бы часть тепла. Звезда в таком случае остывала бы быстрее обычного и сегодня выглядела бы заметно холоднее, чем предсказывают стандартные модели. Однако телескопы фиксируют нормальные температуры, без намеков на «дополнительное охлаждение».
Именно отсутствие лишних потерь энергии позволило исследователям установить предел, которого гипотетическая новая сила не должна превышать. Проще говоря, если такая частица существует, ее взаимодействие с нуклонами — кирпичиками ядер — должно быть настолько слабым, что практически не влияет на температуру.
В итогах работы указано, что прочность этой связи не может быть больше чем gₙ ≲ 5×10⁻¹⁴. Это чрезвычайно маленькая величина: примерно в сто триллионов раз слабее гравитационного притяжения между двумя обычными телами.
Как подчеркивают авторы:
«Мы можем исключить связи вплоть до gₙ≲5×10⁻14. Наш новый предел превосходит прежние ограничения на шесть порядков величины массы гипотетической частицы mφ».
Другими словами, ученые сильно сузили диапазон, в котором такая частица могла бы существовать. Теперь теории, допускающие более сильную пятую силу, уже не подходят под наблюдения.
Что это меняет
Результат не опровергает идею пятой силы полностью, но значительно сокращает пространство для новых теорий. Космос оказывается эффективнее земных лабораторий, когда речь идет о поиске едва уловимых эффектов. Нейтронные звезды проверяют фундаментальные принципы — от закона обратных квадратов до эквивалентности — в условиях, которые невозможно воспроизвести на Земле.
Тем не менее остаются пробелы. Ученые до сих пор не уверены, что полностью понимают внутреннее строение этих плотных объектов. Новые рентгеновские обсерватории и будущие гравитационно-волновые миссии могут обнаружить звезды с необычным температурным поведением. Если такие данные появятся, они станут первым намеком на новую физику.
