Les scientifiques ont proposé un moyen de savoir s'il y a des forces qui ne se manifestent pas dans l'interaction de la matière ordinaire et "émergent" uniquement lorsqu'il s'agit de matière noire. Il s'agit de l'attraction ou de la répulsion supplémentaire qui s'ajoute à la gravité.
Une équipe dirigée par Lijing Shao de l'Institut Max Planck de radioastronomie propose d'étudier les orbites des systèmes de pulsars binaires à cet effet. La méthode et les premiers résultats des observations sont décrits dans un article scientifique publié dans la revue Physical Review Letters.
Rappelons qu'à notre connaissance, il n'y a que quatre interactions fondamentales auxquelles se réduit toute la variété des forces agissant dans la nature. Ce sont des interactions fortes, faibles, électromagnétiques et gravitationnelles.
Les deux premiers n'apparaissent qu'à des distances inférieures au diamètre du noyau atomique. Les forces électromagnétiques agissent entre les particules chargées. Ils donnent lieu à des phénomènes apparemment différents, tels que, par exemple, l'attraction du fer sur un aimant, l'élasticité des solides et la force de frottement. Cependant, ces forces n'affectent pas le mouvement des objets astronomiques tels que les planètes, les étoiles ou les galaxies. Par conséquent, la seule force qu'un astronome doit prendre en compte lors du calcul du mouvement des corps célestes est la gravité.
De tels résultats ont été obtenus en étudiant toutes les particules découvertes par l'humanité. Cependant, la plupart des experts sont convaincus qu'il existe également de la matière noire, constituée de particules inconnues de la science, et qui représente 80% de la masse de matière dans l'Univers. "Vesti. Nauka" (nauka.vesti.ru) a parlé en détail de ce qui a poussé les scientifiques à tirer des conclusions aussi extravagantes.
Et si la matière noire agissait sur les trajectoires des corps célestes non seulement par gravité, mais aussi par une cinquième force inconnue? Cette possibilité ne peut pas être exclue lorsqu'il s'agit de particules hypothétiques aux propriétés inconnues.
Vous pouvez vérifier cette version tentante comme ça. Le meilleur modèle de gravité testé à ce jour est la Relativité Générale (GR). Elle donne des prévisions détaillées des trajectoires des corps célestes. Il est nécessaire d'organiser un test de l'une de ses prédictions de base dans deux situations: lorsque l'influence de la matière noire peut certainement être négligée et lorsqu'elle est significative. Si les résultats coïncident, on peut dire que dans les deux cas, seule la gravité, décrite par la relativité générale, est impliquée. Si le second cas diffère du premier, cela peut être compris de telle manière que non seulement la gravité agit sur les corps célestes du côté de la matière noire, mais aussi une force supplémentaire d'attraction ou de répulsion.
Le principe établi par Galilée et confirmé plus tard en relativité générale est bien adapté à ce rôle: dans un champ gravitationnel donné, l'accélération de la pesanteur est la même pour tous les corps, quelles que soient leur masse, leur composition et leur structure interne. Cela signifie que la masse inerte (qui détermine quelle force doit être appliquée au corps pour lui donner une accélération donnée) est égale à la masse gravitationnelle (qui crée la force de gravité). La dernière déclaration est connue sous le nom de principe d'équivalence faible.
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En 2017, il a été vérifié à l'aide d'un satellite artificiel de la Terre avec une erreur de pas plus d'un billionième de pour cent. Dans ce cas, selon la plupart des experts, l'influence de la matière noire pourrait être négligée, car la distance de la Terre au satellite à l'échelle astronomique est petite et il y a peu de matière noire entre eux.
L'influence de la substance mystérieuse pourrait être détectée en étudiant l'orbite de la lune. Mais ici le faible principe d'équivalence n'a été testé "que" avec une précision au millième de pour cent, et alors uniquement grâce aux miroirs installés à la surface de Selena. Le faisceau laser réfléchi par eux permet de connaître la distance entre la Terre et la Lune avec une erreur de moins d'un centimètre.
Le nouveau test, proposé par le groupe de Shao, est lié à l'étude de l'orbite d'un système binaire, dont l'un des composants est un pulsar. Jusqu'à présent, personne n'a utilisé d'étoiles à neutrons pour rechercher la cinquième force de la matière noire.
«Il y a deux raisons pour lesquelles les pulsars binaires ouvrent une toute nouvelle façon de tester une telle cinquième force entre la matière ordinaire et la matière noire», a déclaré Shao dans un communiqué de presse de l'étude. - Premièrement, une étoile à neutrons est constituée d'une substance qui ne peut pas être créée en laboratoire, plusieurs fois plus dense qu'un noyau atomique et constituée presque entièrement de neutrons. De plus, les énormes champs gravitationnels à l'intérieur d'une étoile à neutrons, un milliard de fois plus puissants que celui du Soleil, pourraient, en principe, améliorer considérablement l'interaction [d'une étoile à neutrons] avec la matière noire."
Rappelons que les signaux des pulsars arrivent avec une périodicité stricte, parfois avec une précision de l'ordre de la nanoseconde. Du fait du mouvement de l'étoile à neutrons sur son orbite, l'heure d'arrivée des impulsions se décale, ce qui permet de restaurer les paramètres de la trajectoire. Les orbites des pulsars les plus stables peuvent être calculées avec une erreur inférieure à 30 mètres.
Particulièrement appropriée dans ce sens est l'étoile à neutrons PSR J1713 + 0747, située à une distance d'environ 3800 années-lumière de la Terre. C'est l'un des pulsars les plus stables connus de l'humanité, avec une période entre les impulsions de seulement 4,6 millisecondes. PSR J1713 + 0747 est un système binaire avec une naine blanche. Il est particulièrement heureux que la période du mouvement orbital du pulsar atteigne 68 jours terrestres.
Expliquons que plus la période de révolution est longue, plus le système est sensible à la violation du faible principe d'équivalence. C'est la différence avec les tests de prédiction conventionnels en relativité générale, qui nécessitent les systèmes les plus serrés possibles.
Le pulsar et la naine blanche ont des masses et des structures internes différentes. La gravité, selon la relativité générale, ne se soucie pas de cela, et l'accélération de la chute libre dans le champ gravitationnel de la matière noire pour les deux corps sera la même. Mais si du côté de cette substance il y a encore une sorte d'attraction ou de répulsion (la même cinquième force hypothétique), l'accélération supplémentaire qui leur est donnée peut dépendre de ces paramètres. Dans ce cas, l'orbite du pulsar changera progressivement.
Pour détecter de tels changements, l'équipe de Shao a traité les résultats de plus de 20 ans d'observations du système avec des radiotélescopes inclus dans le projet européen EPTA et l'américain NANOGrav. Aucun changement d'orbite n'a pu être détecté. Cela signifie que dans le cas d'un système spécifique donné et de la matière noire environnante, le principe faible d'équivalence est rempli avec approximativement la même précision que dans l'expérience «lunaire».
Cependant, le fait est peut-être que la densité de matière noire n'était pas assez élevée ici. Le «terrain d'essai» idéal serait le centre de la galaxie, où la matière noire s'accumule en raison de la puissante attraction de la matière ordinaire. Sur cette base, l'équipe recherche un pulsar adapté à moins de 10 parsecs du centre de la Voie lactée. Une telle découverte pourrait augmenter la précision de l'expérience de plusieurs ordres de grandeur.
Rappelons que "Vesti. Nauka" a déjà écrit sur l'interaction hypothétique non gravitationnelle de la matière noire avec la matière ordinaire et le rayonnement. Seulement, il ne s'agissait pas de l'influence sur les trajectoires des corps célestes, mais d'autres effets. Ainsi, la matière noire peut être responsable de l'excès de positrons près de la Terre, d'étranges rayons X des galaxies et du refroidissement de l'hydrogène dans le jeune univers.
Anatoly Glyantsev
