Астрофизики использовали нейтронные звёзды для поиска новой фундаментальной силы
Нейтронные звёзды, остающиеся после коллапса гигантских светил, представляют собой невероятно плотные объекты, чьи недра служат уникальной естественной лабораторией для изучения фундаментальных законов физики. Новое исследование международной группы учёных продемонстрировало, как эти экстремальные объекты могут быть использованы для проверки гипотезы о существовании нового типа частицы, способной переносить пятую фундаментальную силу природы. Открытие такой силы могло бы совершить переворот в физике и углубить понимание природы тёмной материи.
Поиск пятой силы исключительно сложен в земных условиях, где любые возможные отклонения от законов гравитации на малых расстояниях маскируются фоновыми шумами. Поэтому физики обратились к нейтронным звёздам, чьи ядра представляют собой сверхплотную «кашу» из нуклонов. Если гипотетические скалярные частицы, предсказываемые некоторыми расширениями Стандартной модели, взаимодействуют с нуклонами, то нейтронные звёзды должны быть их идеальными «фабриками». Рождаясь при столкновениях частиц в недрах звезды, эти частицы уносили бы с собой энергию, вызывая дополнительное охлаждение светила, которое стало бы верным признаком работы пятой силы.
Чтобы проверить эту идею, исследователи создали детальные симуляции, описывающие жизнь нейтронных звёзд от момента формирования до современного возраста. В модели были учтены все известные механизмы потери тепла, включая излучение нейтрино и с поверхности, а также добавлена возможность излучения скалярных частиц. Эти модели были сопоставлены с реальными наблюдениями за хорошо изученными холодными нейтронными звёздами, такими как изолированная группа «Великолепная семёрка» и пульсар PSR J0659.
Логика исследования была прозрачной: если бы скалярные частицы сильно взаимодействовали с нуклонами, наблюдаемые сегодня нейтронные звёзды должны были бы быть значительно холоднее. Однако данные телескопов показывают, что их температуры соответствуют стандартной картине охлаждения, и признаков аномальных потерь энергии не обнаружено. Это отсутствие ожидаемого дополнительного охлаждения позволило учёным установить рекордно строгое ограничение на силу гипотетического взаимодействия. Анализ показал, что константа связи скалярных частиц с нуклонами должна быть чрезвычайно мала, не превышая значения примерно 5×10^−14. Это новое ограничение более чем на порядок (т.е. более чем в 10 раз) строже всех предыдущих пределов для данного класса частиц.
Таким образом, исследование не подтвердило существование пятой силы в рассмотренном диапазоне, но сузило поле для её поиска, отбросив целый класс теоретических моделей. Работа наглядно демонстрирует, как экстремальные астрофизические объекты становятся мощнейшими инструментами для проверки фундаментальной физики, недоступными в земных лабораториях. В будущем, с улучшением моделей внутреннего строения нейтронных звёзд и появлением данных от телескопов нового поколения, учёные надеются обнаружить тонкие аномалии в их охлаждении, которые могут указать путь к новой физике.
Исследование в журнале Physical Review Letters.