Фізики шукали нову силу природи всередині нейтронних зірок і виявили щось інтригуюче

Нейтронні зірки — це те, що залишається після смерті гігантських зірок після того, як вони стискаються під дією гравітації. У результаті залишається дуже щільне ядро зірки, що складається з нейтронів і протонів. Нейтронні зірки спочатку дуже гарячі, але вони остигають протягом мільйонів років, виділяючи накопичене тепло в космос. Ці зірки є природними лабораторіями для перевірки фізичних теорій з настільки екстремальними умовами, які неможливо створити на Землі. Фізики вирішили перевірити, чи можуть нейтронні зірки містити частинки, які є переносниками давно передбачуваної п'ятої фундаментальної сили природи. Якщо така частинка існує, вона змінить наше розуміння гравітації і, можливо, навіть допоможе пояснити темну матерію. Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters, пише Interesting Engineering.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

П'ята сила природи

Наразі фізикам відомо, що існує чотири фундаментальні сили природи, які описує Стандартна модель фізики елементарних частинок: електромагнетизм, гравітація, слабка і сильна взаємодія. Але вчені припускають, що існує п'ята сила природи, переносником якої є гіпотетичні частинки.

Але виявити цю силу на Землі неймовірно складно, а тому вчені звертаються до об'єктів з найбільш екстремальними умовами, де можна побачити відхилення від стандартної гравітації. Нейтронні зірки ідеально підходять для цього, оскільки їхні надра насичені нуклонами, тобто протонами і нейтронами.

Якщо гіпотетичні скалярні частинки взаємодіють з нуклонами, нейтронні зірки можуть бути місцем створення цих частинок. Скалярні частинки — це теоретичні частинки без спіна, тобто моменту імпульсу. Деякі розширення Стандартної моделі фізики елементарних частинок припускають, що вони можуть зв'язуватися з нуклонами і передавати невідому силу.

Якщо це так, то кожне зіткнення нейтронів або протонів глибоко всередині нейтронної зірки має створювати скалярні частинки, які потім вилітають у космос і відводять тепло нейтронної зірки. Важливо зазначити, що додаткове охолодження було б явною ознакою дії п'ятої сили природи.

Невідомі частинки всередині нейтронних зірок

Щоб перевірити цю теорію, фізики створили детальні моделі розвитку нейтронних зірок від їхнього утворення до нинішнього віку. Вони врахували всі відомі способи втрати тепла нейтронними зірками, а потім додали можливість викиду скалярних частинок. Фізики протестували свої моделі на реальних, добре вивчених нейтронних зірках.

Якщо скалярні частинки сильно взаємодіють з нуклонами, то нейтронні зірки сьогодні мають бути набагато холоднішими, ніж це реєструють телескопи. Але спостереження показують, що ці зірки не є незвично холодними. Їхні температури відповідають стандартній картині охолодження.

Порівнявши результати моделювання з реальними вимірами, фізики не виявили жодних ознак додаткових втрат тепла. Будь-який сценарій, у якому скалярно-нуклонні частинки сильно взаємодіють із протонами і нейтронами, охолодив би ці зірки набагато сильніше, ніж це бачать телескопи. Це дослідження показує, що сам Всесвіт може розсовувати межі фізики способами, недоступними лабораторним дослідженням.

Нова сила природи все ще може існувати

Хоча ознак дії п'ятої сили природи фізики не виявили, вони кажуть, що виключати повністю її існування не можна. Учені досі не до кінця розуміють внутрішню структуру нейтронних зірок. Тому спостереження за допомогою більш досконалих телескопів можуть показати незвичайні закономірності охолодження нейтронних зірок, які можуть би вказувати на існування невідомої сили Всесвіту.

Як уже писав Фокус, у космосі відбувається щось дивне, схоже на нову фізику, підтверджують учені. Вчені дійшли висновку, що проблема Хаббла — це не просто помилка вимірювань, а, можливо, відображення реальних фізичних процесів, які не можуть пояснити сучасні теорії.