Je „pátá síla“ skrytou vlastností temné hmoty?  
Jednou z největších výzev moderní vědy je snaha o pochopení podstaty temné hmoty, jež dává o sobě vědět jen svými gravitačními účinky. Prozatím. Mohla by být ale zdrojem i jiné, doposud neznámé fyzikální interakce?

Schematický obrázek pulzaru v gravitačním poli Galaxie. Oběh kolem jejího centra je vlastně volným pádem, na který působí dvě přitažlivé síly znázorněné šipkami. Žlutá reprezentuje gravitační působení standardní hmoty, šedá přitažlivou sílu hala temné hmoty. Působí na pulzar jenom gravitačně, nebo interaguje se standardní hmotou i jinou, neznámou „pátou sílou“? 
Kredit: Norbert Wex, with Milky Way Image by R. Hurt (SSC), JPL-Caltech, NASA and pulsar image by NASA.
Schematický obrázek pulzaru v gravitačním poli Galaxie. Oběh kolem jejího centra je vlastně volným pádem, na který působí dvě přitažlivé síly znázorněné šipkami. Žlutá reprezentuje gravitační působení standardní hmoty, šedá přitažlivou sílu hala temné hmoty. Působí na pulzar jenom gravitačně, nebo interaguje se standardní hmotou i jinou, neznámou „pátou sílou“? Kredit: Norbert Wex, with Milky Way Image by R. Hurt (SSC), JPL-Caltech, NASA and pulsar image by NASA.

Kolem roku 1600 prováděl Galileo Galilei jednoduché, ale významem na svou dobu převratné experimenty s různými tělesy volně padajícími z výšky. Dospěl k závěru, který se i dnes mnohým zdá být v rozporu se „zdravým rozumem“ - v gravitačním poli Země na všechna tělesa, bez ohledu na složení a hmotnost, působí stejné gravitační zrychlení (slabý princip ekvivalence). Isaac Newton provedl experimenty s kyvadly se zátěžemi z různých materiálů a univerzálnost této fyzikální zákonitosti prověřil s přesnosti 1:1000. V současnosti 300kilogramový minisatelit MICROSCOPE (Micro-Satellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence) v podmínkách volného pádu na oběžné dráze v gravitačním poli Země zvýšil hodnotu přesnosti o dalších 11 řádů.

 

První pulzar objevila severoirská radioastronomka Susan Jocelyn Bellová – Burnellová koncem roku 1967. Kredit: NASA’S GODDARD SPACE FLIGHT CENTER.
První pulzar objevila severoirská radioastronomka Susan Jocelyn Bellová – Burnellová koncem roku 1967. Kredit: NASA’S GODDARD SPACE FLIGHT CENTER.

Že princip ekvivalence platí pro běžnou hmotu, je tedy nad Slunce jasnější. Ale co hmota temná, které je v kosmickém měřítku asi čtyři krát více než té známé? S tajemstvím „temnohmotní“ podstaty souvisí i důležitá otázka: je gravitační interakce mezi známou a neznámou formou hmoty jediná síla působící na velké vzdálenosti? Řečeno z jiného, relativistického pohledu - záleží pouze na tom, jak jedna i druhá matérie zakřivuje časoprostor? Není toto vzájemné působení přece jen ovlivněno nějakou doposud neznámou „pátou sílou“? Ještě jinak – platí i pro temnou hmotu princip ekvivalence, působí v určitém místě na různě hmotná tělesa odlišného složení stejným gravitačním zrychlením?

 

Životní cyklus různě hmotných hvězd.  Kredit: NASA
Životní cyklus různě hmotných hvězd. Kredit: NASA.

Tuto otázku si položili astrofyzikové Ústavu Maxe Plancka pro radioastronomii v německém Bonnu. Za možného zprostředkovatele odpovědi si zvolili binární pulsar, gravitačně vázanou soustavu dvou těles. Jedním z nich je rychle rotující malá, ale extrémně hustá neutronová hvězda - pozůstatek po obří masivní hvězdě, jež explodovala jako supernova. Druhým pak je třeba bílý trpaslík, což je závěrečná fáze vývoje hvězd menší a střední velikosti s původní hmotností do osminásobku Slunce, jakých je v Galaxii většina. Vědci navrhli průzkumný projekt zaměřený na co nepřesnější měření vlivu temné hmoty na obě, složením i fyzikálními vlastnostmi tak rozdílná tělesa binárního systému. Bude jejich interakce s temnou hmotou stejná, nebo existuje doposud nepozorovaný rozdíl, který by bylo možné odhalit na malých změnách oběžné dráhy? I kdyby plánovaná pozorování pomocí nejvýkonnějších radioteleskopů nevedla k převratnému výsledku, alespoň zmenší prostor pro hledání možných vlastností tajemné složky vesmíru. A přispěje k poznatkům o centrální oblasti Mléčné dráhy obklopené halem temné hmoty, v níž vědci budou pátrat po vhodných binárních pulzarech.

 

V širokém elektromagnetickém spektru záření dokážeme detekovat jen pětinu veškeré vesmírné hmoty. 80 % se projevuje jen svou gravitací a zatím si chrání tajemství své podstaty.  Kredit: NASA
V širokém elektromagnetickém spektru záření dokážeme detekovat jen pětinu veškeré vesmírné hmoty. 80 % se projevuje jen svou gravitací a zatím si chrání tajemství své podstaty. Kredit: NASA

Mezi takové kandidáty patří i 3 750 světelných let vzdálený binární pulzar PSR J1713+0747. Jde o neutronovou hvězdu s hmotností přibližně 1,3 násobku hmotnosti Slunce a s velice stabilní rotační periodou pouhých 4,6 milisekundy. Za sekundu se tedy otočí 217 krát. Máme to štěstí, že magnetická osa, která je od té rotační odkloněna, v určitém okamžiku při každé otočce proběhne oblastí Země. Díky tomu radioastronomové mají možnost pozorovat ten bláznivě rychlý majákový efekt – podél této magnetické osy vyzařující intenzivní paprsky. Pulsar má svého průvodce, asi 4 krát méně hmotného bílého trpaslíka. Obě tělesa jednou za 68 dní oběhnou kolem společného těžište soustavy po téměř kruhové dráze, jejíž velká poloos měří kolem 60 miliónů km (přibližně 40 % vzdálenosti Země - Slunce). Nám laikům se to možná zdá být překvapivě málo u tak extrémních těles. Opak je však pravdou. Milisekundové binární pulsary jsou obvykle se svým souputníkem v užším spojení a obíhají se v mnohem kratší vzdálenosti za mnohem kratší dobu. A právě velká oběžná dráha pulzaru J1713+0747 je pro pátrání vlivu temné hmoty velmi vhodná. Větší vzdálenost mezi oběma přestárlými hvězdami znamená i menší vzájemné gravitační působení, a tedy i větší citlivost soustavy na případné vnější gravitační poruchy ovlivňující oběžnou dráhu. Protože pohyb po ní je vlastně volným pádem, projekt je tak vesmírným testováním platnosti principu ekvivalence mezi temnou a běžnou hmotou.

 

I když je pulzar „prťavý“, několik kilometrový, hmotnost krychlového centimetru jeho gravitačně degenerované hmoty by na Zemi vážil řádově stovky milionů tun. Tak hustý objekt má i obrovské povrchové gravitační pole - přibližně dvě stě miliardkrát krát větší než má naše planeta. Když i díky tomu na něj bude temná hmota působit jinak než na bílého trpaslíka, například větším gravitačním zrychlením, časem se to projeví na deformaci oběžné dráhy binárního systému. A právě taková změna je důležitá. Jenže jak přesně ji lze na vzdálenost tisíců světelných let vůbec změřit? V případě pulzarů s velmi stabilní rotací, jakým je i J1713+0747, lze radiový signál měřit s přesností do sto miliardtin sekundy (100 ns), což umožňuje určit parametry oběžné dráhy s přesností do 30 metrů! Přestože výsledky dosavadního, přes dvacet let trvajícího pozorování binárních pulzarů nenaznačují, že by k změnám oběžných drah docházelo, vědci budou po nich pátrat dál na místech, kde je vyšší koncentrace temné hmoty. A podrobněji, s nejvyšší přesností. Když se navíc dobuduje plánovaný velkoplošný radioteleskop Square Kilometre Array v Australii a Jižní Africe, budou mít k dispozici zařízení s 50 krát vyšší citlivostí než mají stávající největší radioteleskopy.


Podrobný popis plánovaného experimentu zveřejnil časopis Physical Review Letters (15. 6. 2018), jeho preprint je dostupný ZDE.

 

Video: Binární pulsar PSR J0348+0432. V tomto případě se neutronová hvězda a bílý trpaslík obíhají s periodou 2,5 hodiny v těsnější blízkosti než v článku zmiňovaný binární systém PSR J1713+0747. Ztráta energie systému se projevuje v plynulé změně běžné dráhy, což je nepřímý důkaz emise gravitačních vln. Kredit: ESO.

 

Zdroj: A New Experiment to Understand Dark Matter

Datum: 19.06.2018
Tisk článku

Temná dcéra - Ferrante Elena
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 377 Kč
cena: 354 Kč
Temná dcéra
Ferrante Elena
Související články:

99,97% koncentrát temné hmoty se jmenuje Segue 1     Autor: Dagmar Gregorová (09.08.2011)
Mohla by mít temná hmota elektrický náboj?     Autor: Stanislav Mihulka (01.06.2018)
Pokud je temná hmota společenská, tak ve vesmíru může běžet temná fúze     Autor: Stanislav Mihulka (11.06.2018)



Diskuze:

Tak mě napadlo,

Karel Rabl,2018-06-21 22:41:52

nemůže být temná hmota "optický klam" podobně, jak se mění poměr ve čtvrtém rozměru, bez něj by neexistovaly ostatní tři, kdy se láme na rozhraní časového kontinua(jakéhosi pomyslného středu) na jedné straně je čas minulý (jakýsi pád omylem nazývaný velký třesk) , s časem uprostřed na němž "kondenzuje" v časových závitech několika Planckových délek normální baryonová hmota.Bylo by zajímavé zjistit jestli se s časem nemění poměr mezi baryonovou hmotou a "temnou hmotou" pokud by temná hmota přibývala s časem tak je "Velký třesk" asi omyl.

Odpovědět

Možná ja to jinak

Václav Krupička,2018-06-20 17:15:46

Příspěvky z oblasti extrémní gravitace jsou viděny jen z jednoho úhlu pohledu - OTR a zakřivení prostoročasu. Bylo by zajímavé porovnat je s výsledky, které dává Verlindeho teorie entropické
gravitace a hledat nějaký společný kompromis. Osobně nevěřím, že postuláty, přijaté v našich známých podmínkách platí neomezeně - jak uvnitř atomu,tak v mezigalaktickém prostoru.

Odpovědět


Re: Možná ja to jinak

Richard Palkovac,2018-06-20 18:36:57

Z teorie gravitacie pana Verlindeho, prave ze ide odvodit Newtonovu gravitaciu a zevraj aj OTR , prave tym je zaujimava , ze to ide odvodit, takze by v tom nieco mohlo byt.

Odpovědět


Re: Re: Možná ja to jinak

Jirka Naxera,2018-06-22 22:50:10

Právě že nejen standardní OTR, viz třeba https://arxiv.org/abs/1703.01415

Odpovědět


Re: Re: Re: Možná ja to jinak

Richard Palkovac,2018-06-23 07:43:39

Zaujimave, vidim, ze pan Verlinde sa cini a vysvetluje tmavu hmotu (a v podstatne tmavy vesmir), ako dodatocny gravitacny efekt jeho teorie gravitacie https://arxiv.org/pdf/1611.02269.pdf

Diky za odkaz.

Odpovědět


Re: Re: Re: Možná ja to jinak

Václav Krupička,2018-06-25 17:16:46

Díky za odkaz. Po jeho přečtení jsem ještě posílil své přesvědčení, že gravitaci lze vyložit
na základě rozboru setrvačných sil v neinerciálních systémech. Jednotlivé části hmotného tělesa
interagují s různými elmag. vlnami v mikrosvětě a inkasované impulzy se přenášejí prostřednictvím vazeb až do makroskopických rozměrů. Avšak na rozdíl od tepelného ohřevu, kde nemůžeme střední
hodnotě rychlosti přisoudit převládající směr, u vln, které způsobují gravitaci, se zřetelně vynoří
síla podle Newtona. Pole, buzená monopóly a dipóly bych asi jako původce takto chápané gravitace vyloučil a největší příspěvek očekávám od polí elektrických kvadrupólů - pro nerelativistické rychlosti. Se zvětšováním vzdáleností se vyrovnává křivost vlnami přenášených siločar a také se musí počítat s nárůstem driftových rychlostí- mezi galaxiemi. A samozřejmě i statistika interakcí
v mikrosvětě se vzdálenými zdroji vln bude jiná.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Možná ja to jinak

Richard Palkovac,2018-06-26 07:59:58

Gravitacna sila a zotrvacna sila, je predsa jedno a to iste (podla Einsteina).

Keby gravitacia pana Verlindeho vyplyvala cisto z entropickej sily, tak to beriem velmi vazne, ale ked do toho musi byt namontovany aj holograficky princip, tak uz mierne pochybujem, aj ked je to cele velmi zaujimave a myslienka urcite genialna.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Možná ja to jinak

Václav Krupička,2018-06-26 13:47:36

Pro mne je setrvačných sil nekonečné množství druhů,tolik,jako neinerciálních souřadných soustav.
A gravitace je zvláštní případ, kdy se můžeme "opřít" o těžiště většího kusu hmoty a vyšetřovat
jak působí interakce součástek této hmoty s elektromagnetickým zářením, které vychází z určitého malého prostorového úhlu. Výsledek je dán statistikou a zpracování pomocí termodynamických funkcí se nabízí. Větší problém mně činí definovat uzavřený systém někde ve vzdáleném vesmíru a věřit správnosti zákonů, které tuto uzavřenost vyžadují. Verlindeho vítám, protože zpochybnil dogma o gravitaci jako čtvrté přírodní síle, která postihuje vše.

Odpovědět

Mozno je to vsetko inak.

Milan Denko,2018-06-20 15:34:22

They did not understand what there is to understand.

Odpovědět

Ověřeno kalibrovaným měřidlem

Milan Krnic,2018-06-19 17:01:09

"s přesností do 30 metrů!".
Díky za článek!
Představy to jsou krásné.

Odpovědět

3,5x 10^16 km je špatně

Radim Dvořák,2018-06-19 16:38:20

Asi to mají být metry.

Odpovědět


Re: 3,5x 10^16 km je špatně

Pavel Hudecek,2018-06-19 18:35:45

Ty uvedené km souhlasí s uvedenými kiloparseky. Ale to jsou řádově tisíce světelných let, tedy něco jako naše vzdálenost od centra galaxie. A s tím teda brutálně nesouhlasí těch 68 dní. Možná tak kdyby to byly miliony let...

Nejpravděpodobnější je, že se tam překlepem dostala 1 navíc a mělo být 10^6, tzn. asi jako Slunce-Merkur (oběh 87 dní). A pak tam při přepisování nějaký snaživec dodělal kpc:-)

Odpovědět


Re: 3,5x 10^16 km je špatně

Dagmar Gregorová,2018-06-19 19:05:46

Jejéj, omlouvám se, článek jsem předělávala, snažila se ho doplnit, špatně jsem pochopila info z jiného odborného článku (https://arxiv.org/abs/astro-ph/0410488). Již je to opraveno, doufám, že tentokráte správně. Dík za upozornění.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace