Нейтронные звёзды — это сверхплотные остатки звёзд, состоящие в основном из нуклонов (то есть протонов и нейтронов). В течение миллионов лет эти звёзды постепенно остывают, излучая тепло в космос.
Процесс охлаждения нейтронных звёзд как площадка для исследования гипотетических частиц
Процесс охлаждения нейтронных звёзд может стать многообещающей площадкой для изучения различных гипотетических частиц, включая так называемые скалярные частицы. Это частицы, которые не обладают спином и, согласно некоторым теоретическим предсказаниям, могут взаимодействовать с нуклонами.
Скалярные частицы и нарушение фундаментальных законов гравитации
Предполагается, что скалярные частицы нарушают два фундаментальных закона гравитации, известных как принцип эквивалентности и закон обратных квадратов. Их наблюдение может значительно обогатить современное понимание Вселенной и лежащих в её основе физических сил.
Исследование взаимодействия скалярных частиц и нуклонов
Исследователи из Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Итальянского национального института ядерной физики, Сиднейского университета и Падуанского университета недавно провели исследование, направленное на изучение возможности того, что скалярные частицы ускоряют процессы охлаждения. Они сравнили теоретические предсказания с симуляциями нейтронных звёзд. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, устанавливает самые строгие на сегодняшний день ограничения на силу скалярно-нуклонных взаимодействий, одновременно подчёркивая потенциал данных о нейтронных звёздах для исследования существования пятой силы.
Роль нейтронных звёзд в поиске пятой силы
Все явления, связанные с частицами, составляющими обычную материю (то есть протонами, электронами и нейтронами), определяются четырьмя фундаментальными силами: гравитационной, электромагнитной, сильным ядерным и слабым ядерным взаимодействием. Существование дополнительной пятой силы может сигнализировать о смене парадигмы в физике, и многие эксперименты были посвящены поиску такой силы.
Эдоардо Витальяно, соавтор статьи, рассказал Phys.org: «Благодаря своей чрезвычайно большой плотности эволюция нейтронных звёзд будет кардинально изменена существованием новых сил. Нейтронные звёзды подобны тёплой еде, которая со временем остывает, и новые частицы будут охлаждать их быстрее».
Скалярные частицы и их взаимодействие с нуклонами
«Подобно тому как электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами, новая сила будет опосредована новой скалярной частицей», — сказал Витальяно. «Такая частица предсказывается во многих расширениях Стандартной модели физики элементарных частиц, может быть связана с существованием дополнительных измерений и может играть роль тёмной материи во Вселенной».
Скалярные частицы будут в изобилии образовываться при рассеянии между нейтронами или протонами. Примечательно, что эти два типа частиц, как известно, находятся в центре нейтронных звёзд.
Результаты симуляций
Для изучения этой возможности исследователи провели сложные и продвинутые симуляции нейтронных звёзд. Эти симуляции показали эволюцию нейтронных звёзд от их рождения до текущего возраста, демонстрируя, как гипотетические скалярные частицы будут образовываться внутри звёзд.
«Симуляции, учитывающие излучение скалярных частиц, опосредующих новую пятую силу, приводят к тому, что нейтронные звёзды в настоящее время были бы намного холоднее, чем наблюдают наши телескопы», — объяснил Алессандро Лелла, соавтор статьи. «Поэтому, если пятая сила существует, она должна быть достаточно слабой, чтобы не изменять наблюдаемую эволюцию нейтронных звёзд».
В своих симуляциях исследователи не обнаружили никаких признаков дополнительной потери энергии, что позволяет предположить, что нейтронные звёзды, которые они исследовали, охлаждались нормально. Это позволило им установить новые границы для скалярно-нуклонных связей, которые могут послужить основой для будущих поисков скалярных частиц и доказательств существования пятой силы.
«Мы пришли к поразительному выводу, что астрономические наблюдения на самом деле являются лучшим способом найти новую силу, действующую на расстоянии меньше толщины волоса», — сказал Витальяно. «Мы обнаружили, что любая существующая пятая сила должна быть намного слабее, чем считалось ранее».
Строгие ограничения, установленные Витальяно, Леллой и их коллегами Дамиано Фиорилло и Кьяраном О’Хэйром, могут помочь уточнить теории, предсказывающие нарушения гравитации. В будущем исследователи надеются продолжить изучение существования пятой силы и скаляров, опосредующих её, используя недавно собранные астрономические данные.
«Физика, управляющая внутренними процессами нейтронных звёзд, всё ещё далека от полного понимания», — добавил Лелла. «Вполне вероятно, что нам ещё предстоит осознать весь спектр возможностей, которые могут предложить исследования этих компактных объектов. Предстоящие астрономические наблюдения могут преподнести сюрпризы. Если в данных о нейтронных звёздах будут обнаружены ранее неизвестные явления, они могут открыть новые пути к пониманию самых сокровенных тайн нашей Вселенной».