Wissenschaftler haben einen Weg vorgeschlagen, um herauszufinden, ob es Kräfte gibt, die sich nicht in der Wechselwirkung gewöhnlicher Materie manifestieren und nur dann "auftauchen", wenn es um dunkle Materie geht. Es geht um die zusätzliche Anziehung oder Abstoßung, die der Schwerkraft hinzugefügt wird.
Ein Team unter der Leitung von Lijing Shao vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie schlägt vor, zu diesem Zweck die Umlaufbahnen binärer Pulsarsysteme zu untersuchen. Die Methode und die ersten Ergebnisse von Beobachtungen werden in einem wissenschaftlichen Artikel beschrieben, der in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde.
Erinnern wir uns, dass es unseres Wissens nur vier grundlegende Wechselwirkungen gibt, auf die sich die gesamte Vielfalt der in der Natur wirkenden Kräfte reduziert. Dies sind starke, schwache, elektromagnetische und Gravitationswechselwirkungen.
Die ersten beiden manifestieren sich nur in Abständen, die kleiner als der Durchmesser des Atomkerns sind. Elektromagnetische Kräfte wirken zwischen geladenen Teilchen. Sie führen zu scheinbar unterschiedlichen Phänomenen wie beispielsweise der Anziehung von Eisen zu einem Magneten, der Elastizität von Festkörpern und der Reibungskraft. Solche Kräfte beeinflussen jedoch nicht die Bewegung astronomischer Objekte wie Planeten, Sterne oder Galaxien. Daher ist die Schwerkraft die einzige Kraft, die ein Astronom bei der Berechnung der Bewegung von Himmelskörpern berücksichtigen muss.
Solche Ergebnisse wurden bei der Untersuchung aller von der Menschheit entdeckten Teilchen erhalten. Die meisten Experten sind sich jedoch sicher, dass es auch dunkle Materie gibt, die aus Teilchen besteht, die der Wissenschaft unbekannt sind, und die 80% der Materiemasse im Universum ausmacht. "Vesti. Nauka" (nauka.vesti.ru) sprach ausführlich darüber, warum Wissenschaftler zu solch extravaganten Schlussfolgerungen kamen.
Was ist, wenn dunkle Materie nicht nur durch die Schwerkraft, sondern auch durch eine unbekannte fünfte Kraft auf die Flugbahnen der Himmelskörper einwirkt? Diese Möglichkeit kann bei hypothetischen Partikeln mit unbekannten Eigenschaften nicht ausgeschlossen werden.
Sie können diese verlockende Version so überprüfen. Das bisher am besten getestete Schwerkraftmodell ist die Allgemeine Relativitätstheorie (GR). Sie gibt detaillierte Vorhersagen über die Flugbahnen von Himmelskörpern. Es ist notwendig, einen Test einer seiner grundlegenden Vorhersagen in zwei Situationen durchzuführen: wenn der Einfluss der Dunklen Materie sicherlich vernachlässigt werden kann und wenn er signifikant ist. Wenn die Ergebnisse übereinstimmen, können wir sagen, dass in beiden Fällen nur die durch die allgemeine Relativitätstheorie beschriebene Schwerkraft beteiligt ist. Wenn sich der zweite Fall vom ersten unterscheidet, kann dies so verstanden werden, dass nicht nur die Schwerkraft von der Seite der dunklen Materie auf Himmelskörper einwirkt, sondern auch eine zusätzliche Anziehungskraft oder Abstoßungskraft.
Diese Rolle passt gut zu dem von Galileo festgelegten und später in der allgemeinen Relativitätstheorie bestätigten Prinzip: In einem bestimmten Gravitationsfeld ist die Erdbeschleunigung für alle Körper gleich, unabhängig von ihrer Masse, Zusammensetzung und inneren Struktur. Dies bedeutet, dass die inerte Masse (die bestimmt, welche Kraft auf den Körper ausgeübt werden muss, um ihm eine bestimmte Beschleunigung zu verleihen) gleich der Gravitationsmasse ist (die die Schwerkraft erzeugt). Die letzte Aussage ist als schwaches Äquivalenzprinzip bekannt.
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Im Jahr 2017 wurde es mit einem künstlichen Erdsatelliten mit einem Fehler von nicht mehr als einem Billionstel Prozent verifiziert. In diesem Fall könnte nach Ansicht der meisten Experten der Einfluss der Dunklen Materie vernachlässigt werden, da die Entfernung von der Erde zum Satelliten im astronomischen Maßstab gering ist und sich zwischen ihnen nur wenig Dunkle Materie befindet.
Der Einfluss der mysteriösen Substanz konnte durch Untersuchung der Mondbahn festgestellt werden. Aber hier wurde das schwache Äquivalenzprinzip "nur" mit einer Genauigkeit von Tausendstel Prozent und dann nur dank der auf der Oberfläche von Selena installierten Spiegel getestet. Der von ihnen reflektierte Laserstrahl ermöglicht es, den Abstand zwischen Erde und Mond mit einem Fehler von weniger als einem Zentimeter zu ermitteln.
Der neue Test, der von Shaos Gruppe vorgeschlagen wurde, bezieht sich auf die Untersuchung der Umlaufbahn eines binären Systems, dessen eine Komponente ein Pulsar ist. Bisher hat niemand Neutronensterne verwendet, um nach der fünften Kraft aus der Dunklen Materie zu suchen.
"Es gibt zwei Gründe, warum binäre Pulsare eine völlig neue Möglichkeit eröffnen, eine solche fünfte Kraft zwischen gewöhnlicher Materie und dunkler Materie zu testen", sagte Shao in einer Pressemitteilung aus der Studie. - Erstens besteht ein Neutronenstern aus einer Substanz, die in einem Labor nicht erzeugt werden kann, um ein Vielfaches dichter als ein Atomkern und fast ausschließlich aus Neutronen besteht. Darüber hinaus könnten die enormen Gravitationsfelder in einem Neutronenstern, der milliardenfach stärker als der der Sonne ist, die Wechselwirkung [eines Neutronensterns] mit dunkler Materie im Prinzip erheblich verbessern."
Erinnern wir uns, dass Signale von Pulsaren mit einer strengen Periodizität ankommen, manchmal mit einer Genauigkeit von Nanosekunden. Aufgrund der Bewegung des Neutronensterns in seiner Umlaufbahn wird die Ankunftszeit der Impulse verschoben, wodurch die Parameter der Flugbahn wiederhergestellt werden können. Die Umlaufbahnen der stabilsten Pulsare können mit einem Fehler von weniger als 30 Metern berechnet werden.
In diesem Sinne besonders geeignet ist der Neutronenstern PSR J1713 + 0747, der sich etwa 3800 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Es ist einer der stabilsten Pulsare, die der Menschheit bekannt sind, mit einer Periode zwischen den Impulsen von nur 4,6 Millisekunden. PSR J1713 + 0747 ist ein Binärsystem mit einem weißen Zwerg. Es ist besonders glücklich, dass die Umlaufzeit des Pulsars bis zu 68 Erdentage beträgt.
Lassen Sie uns erklären, dass das System umso empfindlicher auf Verstöße gegen das Prinzip der schwachen Äquivalenz reagiert, je länger die Umlaufzeit ist. Dies ist der Unterschied zu herkömmlichen Vorhersagetests in der allgemeinen Relativitätstheorie, die möglichst enge Systeme erfordern.
Der Pulsar und der Weiße Zwerg haben unterschiedliche Massen und unterschiedliche innere Strukturen. Die Schwerkraft kümmert sich nach der allgemeinen Relativitätstheorie nicht darum, und die Beschleunigung des freien Falls im Gravitationsfeld der Dunklen Materie ist für beide Körper gleich. Wenn jedoch von der Seite dieser Substanz immer noch eine Art Anziehung oder Abstoßung vorliegt (dieselbe hypothetische fünfte Kraft), kann die ihnen gegebene zusätzliche Beschleunigung von diesen Parametern abhängen. In diesem Fall ändert sich die Umlaufbahn des Pulsars allmählich.
Um solche Änderungen festzustellen, verarbeitete Shaos Team die Ergebnisse von mehr als 20 Jahren Beobachtungen des Systems mit Radioteleskopen, die im europäischen EPTA-Projekt und im amerikanischen NANOGrav enthalten waren. Es konnten keine Änderungen in der Umlaufbahn festgestellt werden. Dies bedeutet, dass im Fall eines bestimmten spezifischen Systems und der umgebenden dunklen Materie das schwache Äquivalenzprinzip mit ungefähr der gleichen Genauigkeit wie im "Mond" -Experiment erfüllt wird.
Der Punkt kann jedoch sein, dass die Dichte der dunklen Materie hier nicht hoch genug war. Das ideale "Testgelände" wäre das Zentrum der Galaxie, wo sich dunkle Materie aufgrund der starken Anziehungskraft gewöhnlicher Materie ansammelt. Auf dieser Grundlage sucht das Team nach einem geeigneten Pulsar innerhalb von 10 Parsecs vom Zentrum der Milchstraße. Ein solcher Befund könnte die Genauigkeit des Experiments um mehrere Größenordnungen erhöhen.
Denken Sie daran, dass "Vesti. Nauka" bereits über die hypothetische nicht-gravitative Wechselwirkung von Dunkler Materie mit gewöhnlicher Materie und Strahlung geschrieben hat. Nur ging es nicht um den Einfluss auf die Flugbahnen von Himmelskörpern, sondern um andere Effekte. Dunkle Materie kann daher für den Überschuss an Positronen in der Nähe der Erde, seltsame Röntgenstrahlen von Galaxien und die Abkühlung von Wasserstoff im jungen Universum verantwortlich sein.
Anatoly Glyantsev
