Los científicos han propuesto una forma de averiguar si hay fuerzas que no se manifiestan en la interacción de la materia ordinaria y "emergen" sólo cuando se trata de materia oscura. Se trata de la atracción o repulsión adicional que se agrega a la gravedad.
Un equipo dirigido por Lijing Shao del Instituto Max Planck de Radioastronomía propone estudiar las órbitas de los sistemas de púlsares binarios para este propósito. El método y los primeros resultados de las observaciones se describen en un artículo científico publicado en la revista Physical Review Letters.
Recordemos que, hasta donde sabemos, solo hay cuatro interacciones fundamentales, a las que se reduce toda la variedad de fuerzas que actúan en la naturaleza. Se trata de interacciones fuertes, débiles, electromagnéticas y gravitacionales.
Los dos primeros se manifiestan solo a distancias menores que el diámetro del núcleo atómico. Las fuerzas electromagnéticas actúan entre partículas cargadas. Dan lugar a fenómenos aparentemente diferentes como, por ejemplo, la atracción del hierro hacia un imán, la elasticidad de los sólidos y la fuerza de fricción. Sin embargo, tales fuerzas no afectan el movimiento de objetos astronómicos como planetas, estrellas o galaxias. Por lo tanto, la única fuerza que un astrónomo debe tener en cuenta al calcular el movimiento de los cuerpos celestes es la gravedad.
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Estos resultados se obtuvieron en el estudio de todas las partículas descubiertas por la humanidad. Sin embargo, la mayoría de los expertos están seguros de que también existe materia oscura, formada por partículas desconocidas para la ciencia, y representa el 80% de la masa de materia del Universo. "Vesti. Nauka" (nauka.vesti.ru) habló en detalle sobre lo que hizo que los científicos llegaran a conclusiones tan extravagantes.
¿Qué pasa si la materia oscura actúa sobre las trayectorias de los cuerpos celestes no solo a través de la gravedad, sino también a través de una quinta fuerza desconocida? Esta posibilidad no se puede descartar cuando se trata de partículas hipotéticas con propiedades desconocidas.
Puedes comprobar esta tentadora versión así. El modelo de gravedad mejor probado hasta la fecha es la relatividad general (GR). Ella da pronósticos detallados de las trayectorias de los cuerpos celestes. Es necesario organizar una prueba de una de sus predicciones básicas en dos situaciones: cuando la influencia de la materia oscura ciertamente puede pasarse por alto y cuando es significativa. Si los resultados coinciden, podemos decir que en ambos casos solo interviene la gravedad, descrita por la relatividad general. Si el segundo caso difiere del primero, esto se puede entender de tal manera que no solo actúa la gravedad sobre los cuerpos celestes del lado de la materia oscura, sino también alguna fuerza adicional de atracción o repulsión.
El principio establecido por Galileo y luego confirmado en la relatividad general es muy adecuado para este papel: en un campo gravitacional dado, la aceleración de la gravedad es la misma para todos los cuerpos, independientemente de su masa, composición y estructura interna. Esto significa que la masa inerte (que determina qué fuerza debe aplicarse al cuerpo para darle una aceleración determinada) es igual a la masa gravitacional (que crea la fuerza de gravedad). La última declaración se conoce como principio de equivalencia débil.
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En 2017, se verificó utilizando un satélite terrestre artificial con un error de no más de una billonésima de por ciento. En este caso, según la mayoría de los expertos, se podría descuidar la influencia de la materia oscura, ya que la distancia de la Tierra al satélite a escala astronómica es pequeña y hay poca materia oscura entre ellos.
La influencia de la misteriosa sustancia podría detectarse estudiando la órbita de la luna. Pero aquí el débil principio de equivalencia ha sido probado "sólo" con una precisión de milésimas de porcentaje, y sólo gracias a los espejos instalados en la superficie de Selena. El rayo láser reflejado por ellos permite conocer la distancia entre la Tierra y la Luna con un error de menos de un centímetro.
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La nueva prueba, propuesta por el grupo de Shao, implica estudiar la órbita de un sistema binario, uno de cuyos componentes es un púlsar. Hasta ahora, nadie ha utilizado estrellas de neutrones para buscar la quinta fuerza de la materia oscura.
"Hay dos razones por las que los púlsares binarios abren una forma completamente nueva de probar una quinta fuerza entre la materia ordinaria y la materia oscura", dijo Shao en un comunicado de prensa del estudio. - En primer lugar, una estrella de neutrones está formada por materia que no se puede crear en un laboratorio, muchas veces más densa que un núcleo atómico y compuesta casi en su totalidad por neutrones. Además, los enormes campos gravitacionales dentro de una estrella de neutrones, mil millones de veces más fuertes que el del Sol, podrían, en principio, mejorar significativamente la interacción [de una estrella de neutrones] con la materia oscura ".
Recordemos que las señales de los púlsares llegan con una periodicidad estricta, a veces con una precisión de nanosegundos. Debido al movimiento de la estrella de neutrones en su órbita, el tiempo de llegada de los pulsos se desplaza, lo que permite restaurar los parámetros de la trayectoria. Las órbitas de los púlsares más estables se pueden calcular con un error de menos de 30 metros.
Particularmente adecuada en este sentido es la estrella de neutrones PSR J1713 + 0747, ubicada a unos 3800 años luz de la Tierra. Es uno de los púlsares más estables que conoce la humanidad, con un período entre pulsos de solo 4,6 milisegundos. PSR J1713 + 0747 es un sistema binario con una enana blanca. Es especialmente afortunado que el período del movimiento orbital del púlsar sea de hasta 68 días terrestres.
Expliquemos que cuanto más largo es el período orbital, más sensible es el sistema a la violación del principio de equivalencia débil. Ésta es la diferencia con las pruebas de predicción convencionales en relatividad general, que requieren los sistemas más ajustados posibles.
El púlsar y la enana blanca tienen diferentes masas y diferentes estructuras internas. A la gravedad, según la relatividad general, no le importa esto, y la aceleración de la caída libre en el campo gravitacional de la materia oscura para ambos cuerpos será la misma. Pero si del lado de esta sustancia todavía hay algún tipo de atracción o repulsión (esa misma quinta fuerza hipotética), la aceleración adicional que se les dé puede depender de estos parámetros. En este caso, la órbita del púlsar cambiará gradualmente.
Para identificar tales cambios, el equipo de Shao procesó los resultados de más de 20 años de observaciones del sistema con radiotelescopios incluidos en el proyecto europeo EPTA y el estadounidense NANOGrav. No se pudieron detectar cambios en la órbita. Esto significa que en el caso de un sistema específico dado y la materia oscura circundante, el principio débil de equivalencia se cumple con aproximadamente la misma precisión que en el experimento "lunar".
Sin embargo, el punto puede ser que la densidad de la materia oscura aquí no era lo suficientemente alta. El "campo de pruebas" ideal sería el centro de la Galaxia, donde la materia oscura se acumula debido a la poderosa atracción de la materia ordinaria. En base a esto, el equipo está buscando un púlsar adecuado a 10 parsecs del centro de la Vía Láctea. Tal hallazgo podría aumentar la precisión del experimento en varios órdenes de magnitud.
Recordemos que Vesti. Nauka ya ha escrito sobre una hipotética interacción no gravitacional de la materia oscura con la materia ordinaria y la radiación. Solo que no se trataba de la influencia en las trayectorias de los cuerpos celestes, sino de otros efectos. Entonces, la materia oscura puede ser responsable del exceso de positrones cerca de la Tierra, los extraños rayos X de las galaxias y el enfriamiento del hidrógeno en el universo joven.
Anatoly Glyantsev
