Os cientistas propuseram uma maneira de descobrir se existem forças que não se manifestam na interação da matéria comum e "emergem" apenas quando se trata da matéria escura. É sobre a atração ou repulsão adicional que é adicionada à gravidade.
Uma equipe liderada por Lijing Shao do Instituto Max Planck de Radioastronomia se propõe a estudar as órbitas de sistemas de pulsar binários para esse fim. O método e os primeiros resultados das observações são descritos em artigo científico publicado na revista Physical Review Letters.
Lembremos que, até onde sabemos, existem apenas quatro interações fundamentais, às quais se reduz toda a variedade de forças que atuam na natureza. Essas são interações fortes, fracas, eletromagnéticas e gravitacionais.
Os dois primeiros aparecem apenas em distâncias menores que o diâmetro do núcleo atômico. As forças eletromagnéticas atuam entre as partículas carregadas. Eles dão origem a fenômenos aparentemente diferentes, como, por exemplo, a atração do ferro por um ímã, a elasticidade dos sólidos e a força de atrito. No entanto, essas forças não afetam o movimento de objetos astronômicos, como planetas, estrelas ou galáxias. Portanto, a única força que um astrônomo precisa levar em consideração ao calcular o movimento dos corpos celestes é a gravidade.
Tais resultados foram obtidos no estudo de todas as partículas descobertas pela humanidade. No entanto, a maioria dos especialistas tem certeza de que também existe matéria escura, composta por partículas desconhecidas da ciência, e que representa 80% da massa da matéria no Universo. "Vesti. Nauka" (nauka.vesti.ru) falou em detalhes sobre o que fez os cientistas chegarem a conclusões tão extravagantes.
E se a matéria escura agir nas trajetórias dos corpos celestes não apenas por meio da gravidade, mas também por meio de uma quinta força desconhecida? Essa possibilidade não pode ser descartada quando se trata de partículas hipotéticas com propriedades desconhecidas.
Você pode verificar esta versão tentadora como esta. O melhor modelo de gravidade testado até hoje é a Relatividade Geral (GR). Ela dá previsões detalhadas das trajetórias dos corpos celestes. É necessário fazer um teste de uma de suas previsões básicas em duas situações: quando a influência da matéria escura pode certamente ser desprezada e quando é significativa. Se os resultados coincidirem, podemos dizer que em ambos os casos apenas a gravidade, descrita pela relatividade geral, está envolvida. Se o segundo caso for diferente do primeiro, isso pode ser entendido de forma que não apenas a gravidade atue sobre os corpos celestes do lado da matéria escura, mas também alguma força adicional de atração ou repulsão.
Esse papel se adequa bem ao princípio estabelecido por Galileu e posteriormente confirmado na relatividade geral: em um dado campo gravitacional, a aceleração da gravidade é a mesma para todos os corpos, independentemente de sua massa, composição e estrutura interna. Isso significa que a massa inerte (que determina qual força deve ser aplicada ao corpo para lhe dar uma dada aceleração) é igual à massa gravitacional (que cria a força da gravidade). A última afirmação é conhecida como princípio de equivalência fraca.
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Em 2017, foi verificado usando um satélite artificial da Terra com um erro de não mais que um trilionésimo de um por cento. Nesse caso, segundo a maioria dos especialistas, a influência da matéria escura poderia ser desprezada, já que a distância da Terra ao satélite em escala astronômica é pequena, e há pouca matéria escura entre eles.
A influência da substância misteriosa pode ser detectada estudando a órbita da lua. Mas aqui o princípio fraco de equivalência foi testado "apenas" em milésimos de um por cento, e então apenas graças aos espelhos instalados na superfície do Selena. O feixe de laser refletido por eles permite saber a distância entre a Terra e a Lua com um erro inferior a um centímetro.
O novo teste, proposto pelo grupo de Shao, está relacionado ao estudo da órbita de um sistema binário, um dos componentes do qual é um pulsar. Até agora, ninguém usou estrelas de nêutrons para procurar a quinta força da matéria escura.
“Há duas razões pelas quais os pulsares binários abrem uma maneira inteiramente nova de testar essa quinta força entre a matéria comum e a matéria escura”, disse Shao em um comunicado à imprensa do estudo. - Primeiro, uma estrela de nêutrons consiste em matéria que não pode ser criada em um laboratório, muitas vezes mais densa do que um núcleo atômico e consistindo quase inteiramente de nêutrons. Além disso, os enormes campos gravitacionais dentro de uma estrela de nêutrons, um bilhão de vezes mais forte que o do Sol, poderiam, em princípio, aumentar significativamente a interação [de uma estrela de nêutrons] com a matéria escura."
Lembre-se de que os sinais dos pulsares chegam com uma periodicidade estrita, às vezes com uma precisão de até nanossegundos. Devido ao movimento da estrela de nêutrons em sua órbita, o tempo de chegada dos pulsos é alterado, o que permite restaurar os parâmetros da trajetória. As órbitas dos pulsares mais estáveis podem ser calculadas com um erro de menos de 30 metros.
Particularmente adequada neste sentido é a estrela de nêutrons PSR J1713 + 0747, localizada a cerca de 3800 anos-luz da Terra. É um dos pulsares mais estáveis conhecidos pela humanidade, com um período entre pulsos de apenas 4,6 milissegundos. PSR J1713 + 0747 é um sistema binário com uma anã branca. É uma sorte especial que o período de movimento orbital do pulsar chegue a 68 dias terrestres.
Vamos explicar que quanto mais longo o período orbital, mais sensível é o sistema à violação do princípio de equivalência fraca. Esta é a diferença com os testes de previsão convencionais na relatividade geral, que requerem os sistemas mais rígidos possíveis.
O pulsar e a anã branca têm diferentes massas e diferentes estruturas internas. A gravidade, segundo a relatividade geral, não se preocupa com isso, e a aceleração da queda livre no campo gravitacional da matéria escura para ambos os corpos será a mesma. Mas se do lado desta substância ainda há algum tipo de atração ou repulsão (aquela mesma quinta força hipotética), a aceleração adicional que lhes é dada pode depender desses parâmetros. Nesse caso, a órbita do pulsar mudará gradualmente.
Para detectar tais mudanças, a equipe de Shao processou os resultados de mais de 20 anos de observações do sistema com radiotelescópios incluídos no projeto europeu EPTA e no americano NANOGrav. Nenhuma mudança na órbita foi detectada. Isso significa que, no caso de um determinado sistema específico e da matéria escura circundante, o princípio fraco de equivalência é cumprido com aproximadamente a mesma precisão do experimento "lunar".
No entanto, a questão pode ser que a densidade da matéria escura aqui não era alta o suficiente. O "campo de teste" ideal seria o centro da Galáxia, onde a matéria escura se acumula devido à poderosa atração da matéria comum. Com base nisso, a equipe está procurando um pulsar adequado a 10 parsecs do centro da Via Láctea. Tal descoberta poderia aumentar a precisão do experimento em várias ordens de magnitude.
Lembre-se de que "Vesti. Nauka" já escreveu sobre a hipotética interação não gravitacional da matéria escura com a matéria comum e a radiação. Só que não se tratava da influência nas trajetórias dos corpos celestes, mas de outros efeitos. Assim, a matéria escura pode ser responsável pelo excesso de pósitrons próximos à Terra, estranhos raios-X de galáxias e o resfriamento do hidrogênio no universo jovem.
Anatoly Glyantsev
