Neutronske zvijezde, ostatci divovskih zvijezda koje su se urušile pod vlastitom gravitacijom, poslužile su kao prirodni laboratorij u kojem su fizičari ispitali mogućnost postojanja nove vrste čestice koja bi mogla prenositi petu temeljnu silu prirode.
Usporedbom detaljnih modela hlađenja s precizno izmjerenim temperaturama starih neutronskih zvijezda, međunarodni tim pokazao je da takva sila, ako postoji, ne može snažno djelovati na nukleone u njihovoj unutrašnjosti.
Neutronske zvijezde: ekstremni hladni laboratoriji
Neutronske zvijezde nastaju kada se masivne zvijezde uruše pod vlastitom gravitacijom, ostavljajući iza sebe ostatak toliko zbijen da su protoni i neutroni stisnuti u gusto, gotovo neprobojno more nukleona. Pri samom nastanku iznimno su vruće, no potom se hlade izuzetno polako, tijekom milijuna godina, postupno otpuštajući toplinu u okolni prostor.
Na prvi pogled riječ je o tihom, jednoličnom procesu, ali za fiziku temeljnih sila upravo su takvi uvjeti dragocjeni. Hlađenje neutronskih zvijezda odvija se u režimima gustoće i gravitacije koji se ne mogu postići u zemaljskim laboratorijima, pa ove zvjezdane jezgre postaju prirodni eksperimenti u ekstremnim okolnostima.
Nova studija pokazuje kako se ta svojstva mogu iskoristiti za provjeru postojanja nove vrste čestice koja bi mogla prenositi petu temeljnu silu, uz gravitaciju, elektromagnetsku silu te jaku i slabu nuklearnu silu. Kada bi takva čestica postojala, mogla bi preoblikovati shvaćanje gravitacije, a možda i pridonijeti tumačenju tamne tvari.
“Postojanje dodatne pete sile može označiti promjenu paradigme u fizici i mnogi su eksperimenti posvećeni potrazi za takvom silom. Odstupanja od gravitacije u području gdje se susreću mikroskopske i makroskopske skale, međutim, iznimno je teško istražiti”, rekao je Edoardo Vitagliano, jedan od autora rada.
Potraga za petom silom u unutrašnjosti zvijezda
Na Zemlji je potraga za petom silom iznimno zahtjevna. Svako odstupanje od standardne gravitacije na vrlo malim udaljenostima toliko je slabo da ga u laboratoriju lako zasjene vibracije, promjene temperature ili električni šum. Zbog toga se fizičari sve više okreću nebeskim objektima gdje ekstremni uvjeti mogu pojačati i najslabije učinke novih sila.
Neutronske zvijezde posebno su pogodne jer im je unutrašnjost napunjena nukleonima, protonima i neutronima, do nezamislivih gustoća. U takvom okruženju hipotetske skalarne čestice, ako postoje i ako se vežu za nukleone, mogle bi se proizvoditi u velikim količinama. Skalarne čestice su teorijske čestice bez spina čije se postojanje predviđa u nekim proširenjima Standardnog modela, gdje bi mogle posredovati dodatnu, petu silu koja djeluje na nukleone.
Ako bi takvi skalari doista snažno međudjelovali s protonima i neutronima, svaka sudarnja nukleona duboko u unutrašnjosti neutronske zvijezde proizvodila bi te čestice. One bi potom lako napuštale zvijezdu i odnosile energiju, ubrzavajući hlađenje. Ključna ideja je da bi upravo dodatno hlađenje bilo karakterističan trag djelovanja nove sile.
Da bi to provjerili, istraživači su izradili detaljne numeričke simulacije evolucije neutronskih zvijezda, od trenutka nastanka pa do njihove sadašnje starosti. U modele su uključili sve poznate mehanizme gubitka topline, od emisije neutrina i zračenja s površine do procesa u unutrašnjosti zvijezde, a potom su dodali i mogućnost emisije skalarnih čestica.
Te su modele usporedili s promatranjima stvarnih neutronskih zvijezda čije su temperature dobro izmjerene. U analizu su ušle izolirane, u rendgenskom zračenju izrazito sjajne neutronske zvijezde poznate kao skupina “Magnificent Seven”, kao i pulsar PSR J0659.
“Po prvi put pokazujemo da stare neutronske zvijezde, poput onih u skupini “Magnificent Seven” i PSR J0659, postavljaju iznimno stroga ograničenja na interakcije skalara i nukleona, više od reda veličine snažnija od svih dosadašnjih granica”, navode autori rada.
Najstroža granica na novu silu do sada
Temeljna logika njihovog pristupa bila je jednostavna. Ako skalarne čestice snažno međudjeluju s nukleonima, neutronske zvijezde danas bi morale biti znatno hladnije od temperatura koje teleskopi doista mjere. Standardni modeli hlađenja u tom bi slučaju podcijenili gubitak energije, a stvarne zvijezde izgledale bi “prehladno” za svoju starost.
Promatranja, međutim, pokazuju suprotno. Temperaturama “Magnificent Seven” i pulsara PSR J0659 vrlo dobro se može objasniti uz poznate mehanizme hlađenja, bez potrebe za dodatnim izvorom gubitka energije. Kada su istraživači usporedili simulacije s podacima, nisu pronašli nikakav pouzdan trag dodatnog odvođenja topline.
Svaki scenarij u kojem skalarne čestice snažno međudjeluju s protonima i neutronima doveo bi do znatno bržeg hlađenja i nižih temperatura od opaženih. Upravo zahvaljujući tom neskladu između hipotetskog snažnog sprezanja i stvarnih mjerenja, tim je uspio kvantitativno ograničiti jačinu nove sile.
Analiza je pokazala da jačina mogućeg djelovanja skalarne čestice na nukleone mora biti iznimno mala. Istraživači su utvrdili da sprezanje, označeno simbolom g_N, ne može biti veće od približno 5×10⁻¹⁴. To predstavlja najstrožu granicu postavljenu za ovu vrstu čestica do danas.
“Kako ne nalazimo dokaze za egzotične gubitke energije, možemo isključiti sprezanja sve do g_N ≲ 5×10⁻¹⁴. Naša nova granica nadmašuje sva postojeća ograničenja za skalare u rasponu od šest redova veličine u mφ, masi hipotetske čestice”, navode autori.
Svemir kao test poligon za novu fiziku
Rezultati pokazuju da svemir sam može gurati granice fizike na načine koji su izvan dosega laboratorijskih eksperimenata. Isključivanjem snažnijih verzija pete sile, studija sužava prostor u kojem nove čestice još mogu postojati i pomaže razlikovati održive teorije od onih koje treba izmijeniti.
Rad ujedno demonstrira kako astrofizički objekti, osobito oni u ekstremnim uvjetima, mogu razotkriti vrlo sitna odstupanja od temeljnih zakona gravitacije, poput načela ekvivalencije ili zakona obrnuto proporcionalnog kvadratu udaljenosti. U takvom okruženju i minimalna kršenja tih načela mogla bi ostaviti mjerljiv trag u hlađenju i evoluciji zvijezda.
Unatoč tome, postoje ograničenja. Unutarnja struktura neutronskih zvijezda još nije u potpunosti razjašnjena, a nepoznanice u fizici gusto zbijene tvari utječu i na same modele hlađenja. Bolje razumijevanje sastava jezgre i slojeva iznad nje moglo bi dodatno precizirati granice na nove sile.
Kako se modeli budu usavršavali, a broj promatranih neutronskih zvijezda rastao zahvaljujući novoj generaciji teleskopa za rendgensko zračenje i detektora gravitacijskih valova, istraživači se nadaju da će moći provjeriti pokazuje li neka od njih neobičan obrazac hlađenja. Takvo odstupanje moglo bi biti prvi trag doista nove fizike, izvan okvira današnjeg Standardnog modela i poznatih četiriju sila prirode.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
