Pulzar limituje existenciu piatej sily

Nedávny pokus o lepšie porozumenie podstaty tmavej hmoty obmedzuje pôsobenie možnej „piatej sily" takmer na nulu. Vedci študovali binárny systém obsahujúci pulzar (t.j. neutrónovú hviezdu), aby ohraničili pravdepodobnosť existencie piatej základnej sily v prírode. Doteraz vieme o štyroch základných silách (interakciách): gravitácia, elektromagnetizmus, silná a slabá jadrová sila. Avšak vo vesmíre existujú niektoré efekty, ktoré sa nedajú vysvetliť len samotnými týmito silami. Napríklad v roku 2016 pokus v Maďarsku ukázal neočakávané správanie pri rozpade atómových jadier izotopu berýlia 8. Po ostreľovaní lítiovej fólie protónmi pozorovatelia videli viac párov elektrón – pozitrón vymrštených v uhle 140 stupňov, čo je ťažko vysvetliteľné v rámci štandardných teórií jadrovej fyziky. Jedna z možností je existencia „piatej prírodnej sily", ktorá ovláda správanie elementárnych častíc popri ostatných štyroch silách. Niektorí vedci navrhujú, že táto sila by mala účinkovať aj na tmavú hmotu, neviditeľnú substanciu, ktorá tvorí väčšinu hmoty vesmíru. My môžeme vidieť účinky tmavej hmoty na tú obyčajnú. Ale priama detekcia vedcom uniká a z čoho je tmavá hmota zložená zostáva neznáme. Jedna skupina výskumníkov testovala hypotézu o piatej sile pomocou pulzaru a jeho sprievodcu vo dvojhviezde – bieleho trpaslíka. Pulzary, v ktorých sú atómové jadrá premenené na neutróny, sú také husté, že ich extrémne silné gravitačné pole by mohlo zvýšiť akékoľvek možné interakcie s tmavou hmotou. Biely trpaslík je veľmi hustá hviezda, je taktiež kompaktný, no nie až tak ako neutrónová hviezda – pulzar. Všeobecná teória relativity predpovedá, že normálna hmota by mala padať voľným pádom smerom k tmavej hmote, ale piata sila, ktorá má schopnosť interagovať s tmavou aj obyčajnou hmotou môže zosilniť, alebo zoslabiť priťahovanie tmavej hmoty. Ak teda piata sila existuje, halo z tmavej hmoty okolo našej Mliečnej cesty, ktorého hustota je najvyššia smerom k jadru Galaxie, by malo priťahovať neutrónovú hviezdu a bieleho trpaslíka rôznymi spôsobmi, pričom by sa jemne menila ich obežná dráha v binárnom systéme. Vedci si vybrali binárny pulzar PSR J1713+0747, ktorý je vzdialený 3800 svetelných rokov od nás a nachádza sa v smere ku galaktickému jadru. Keďže si myslíme, že tmavá hmota je koncentrovaná smerom k jadru Galaxie, tento dvojhviezdny systém s pulzarom by mal zabezpečiť ideálny test toho, ako by mala účinkovať piata sila na tmavú a „klasickú" hmotu. Vedci chceli vidieť, či sa pohyby pulzaru a bieleho trpaslíka budú líšiť pri vzájomnom obehu. „Ak existuje piata sila, ktorá pôsobí medzi tmavou a štandardnou hmotou, nebola by univerzálna," hovorí Lijing Shao (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Nemecko). „Tá by mala spôsobiť vznik zdanlivého rozdielu medzi neutrónovou hviezdou a bielym trpaslíkom v ich „voľnom páde" smerom k tmavej hmote. To znamená, že dráha neutrónovej hviezdy by sa mala líšiť od toho, čo predpovedá všeobecná teória relativity." S pomocou 20-ročných rádioastronomických pozorovaní tohto systému vedci tvrdia, že ak piata sila existuje, jej účinok musí byť len 1% gravitačnej sily. A ako vieme, gravitácia je najslabšia zo všetkých štyroch známych interakcií. Tieto výsledky boli publikované v známom vedeckom časopise Physical Review Letters. Vedci tiež objavili, že limity na hustotu tmavej hmoty pri pozorovaní tohto binárneho systému s pulzarom boli podobné ako pri iných testoch na objektoch bližšie k našej Zemi. Inými slovami, tím nedokázal ani nevylúčil, že by iné pozorovania poukazovali na zvyšovanie hustoty tmavej hmoty smerom k centru našej Galaxie. Aurélien Hees (Observatory of Paris, Francúzsko), ktorý nebol členom tímu pri tejto štúdii, poznamenal, že táto práca je prvým pokusom o výskum interakcie medzi hypotetickou piatou silou a tmavou hmotou takýmto spôsobom. Krátka rotačná perióda pulzaru – len 4,6 milisekundy – a jeho stabilná rotácia z neho robia dobrého kandidáta na odstránenie efektov piatej sily, poznamenáva Hees a ďalej vysvetľuje: „S piatou silou očakávame, že uvidíme niečo kúsok za teóriou relativity. Pokúšame sa to hľadať pomocou všetkých možných pozorovaní dostupných z našej Zeme." Shao vraví, že jeho tím dúfa, že bude môcť študovať viac binárnych pulzarov bližšie k centru Galaxie, aby lepšie pochopili efekty tmavej hmoty. Na rozdiel od väčšiny testov všeobecnej teórie relativity, v tomto prípade vedci chcú nájsť pulzary s relatívne veľkými dráhami a teda dlhými periódami obehu okolo ťažiska s druhou zložkou. Výzvou je, samozrejme, už len nájdenie takýchto pulzarov. Veria, že prelom príde, keď bude uvedený do prevádzky citlivejší rádioteleskop s názvom Square Kilometer Array, niekedy po roku 2020. "Väčšie rádioteleskopy a ich sústavy sú lepšie, pretože môžu presnejšie merať časy príchodu signálov z pulzaru," dodáva Shao

Publikované v časopise QUARK, 8/2018, RNDr. Zdeněk Komárek

Text k obrázku: Umelecké stvárnenie binárneho systému s pulzarom (menší objekt) a bielym trpaslíkom.
Zdroj obrázka: wikimedia.org