Le pulsazioni limitano le interazioni della "Quinta Forza" con la materia oscura

Un recente esperimento per comprendere meglio la natura della materia oscura limita una possibile "quinta forza" della natura a quasi zero.

L'illustrazione di un artista mostra come potrebbe apparire la pulsar PSR J1713 + 0747 e il suo compagno nano bianco.
ESO / L. Calçada

Gli scienziati hanno recentemente studiato un sistema binario pulsar per limitare l'esistenza di un'ipotetica quinta forza fondamentale della natura.

Conosciamo già quattro forze fondamentali: gravità, elettromagnetismo e forze nucleari forti e deboli. Tuttavia, ci sono alcuni effetti nell'universo che non possono essere spiegati solo da queste forze. Ad esempio, un esperimento del 2016 in Ungheria ha mostrato comportamenti inattesi nel decadimento dei nuclei nell'isotipo berillio-8. (Dopo aver sparato ai protoni sulla lamina di litio, gli osservatori hanno visto più coppie di elettroni-positroni espulse con un angolo di 140 gradi, il che è difficile da spiegare con le teorie della fisica nucleare standard.)

Una possibilità è l'esistenza di una "quinta forza" della natura, che governa il comportamento delle particelle elementari insieme alle altre quattro forze. Alcuni scienziati suggeriscono che questa forza potrebbe funzionare sulla materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della massa dell'universo. Possiamo vedere gli effetti della materia oscura sulla materia ordinaria, ma la rilevazione diretta ha eluso gli scienziati e ciò di cui è fatta rimane sconosciuta.

Test per una quinta forza

Un gruppo di ricerca ha testato una quinta forza usando una pulsar e il suo compagno stella nana bianca. Le pulsar, i cui atomi sono stati compattati in neutroni, sono così densi che i loro campi gravitazionali estremi potrebbero migliorare qualsiasi possibile interazione con la materia oscura. Il nano bianco, pur impacchettando ancora i suoi atomi con la sardina, non è così compatto. La relatività generale prevede che la materia normale dovrebbe cadere liberamente verso la materia oscura, ma una quinta forza che ha la capacità di interagire con la materia normale e oscura potrebbe rafforzare o ridurre l'attrazione della materia oscura. Se esiste una quinta forza, l'alone di materia oscura della Via Lattea, la cui densità dovrebbe raggiungere il picco nel centro galattico, attirerebbe la stella di neutroni e la nana bianca in modi diversi, alterando leggermente la loro orbita.

I ricercatori hanno scelto la pulsar binaria PSR J1713 + 0747, che si trova a 3.800 anni luce dalla Terra, nella direzione del centro galattico. Si ritiene che la materia oscura sia più popolosa verso il cuore della galassia, quindi il sistema binario pulsare fornisce un test ideale su come una quinta forza agirebbe sulla materia oscura e sulla materia standard. I ricercatori volevano vedere se i movimenti della pulsar e della nana bianca differivano quando si orbitavano l'un l'altro.

"Se esiste una quinta forza che agisce tra la materia oscura e la materia standard, non sarebbe universale", afferma Lijing Shao (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Germany). "Ciò produrrebbe quindi un'apparente differenza per la stella di neutroni e la nana bianca nella loro caduta libera verso la materia oscura. Pertanto, l'orbita della stella di neutroni sarebbe diversa da quella prevista dalla relatività generale."

Usando 20 anni di osservazioni radio di questo sistema, i ricercatori hanno concluso che se esiste una quinta forza, deve avere meno dell'1% della forza di gravità. (E la gravità è già la più debole delle quattro forze conosciute.) I risultati compaiono nelle Lettere di revisione fisica.

I ricercatori hanno anche scoperto che i limiti sulla densità della materia oscura in questo sistema pulsar erano simili ad altri test più vicini alla Terra. In altre parole, il team non ha dimostrato o confutato altre osservazioni che mostrano che la densità della materia oscura aumenta verso il centro della galassia.

Oltre la relatività

Aurélien Hees (Osservatorio di Parigi), che non è stato coinvolto nello studio, ha osservato che questo lavoro è il primo a studiare in questo modo le interazioni tra un'ipotetica quinta forza e la materia oscura. Il breve periodo di rotazione della pulsar solo 4, 6 millisecondi e la sua rotazione stabile lo hanno reso un buon candidato per limitare gli effetti della quinta forza, ha detto.

Con la quinta forza, spiega, "Ci aspettiamo di vedere qualcosa un po 'oltre la relatività. Stiamo provando a cercarlo con tutte le osservazioni disponibili dalla Terra."

Shao afferma che il suo team spera di studiare più pulsar binarie più vicine al centro della galassia per comprendere meglio gli effetti della materia oscura. A differenza della maggior parte dei test di relatività generale, in questo caso i ricercatori vogliono trovare pulsar che si muovono in orbite relativamente lente attorno al loro compagno. La sfida, ovviamente, è trovare le pulsar in primo luogo. Ha suggerito che una svolta arriverà quando l'array Square Kilometer più sensibile sarà pronto negli anni '20. "I radiotelescopi e le matrici più grandi sono migliori perché misurano in modo più preciso il tempo di arrivo del [segnale pulsar]", ha detto Shao.