Пятая сила едва заметна: моделирование жизни звёзд сузило пространство для новых теорий

Международная команда физиков предложила необычный способ проверки одной из самых смелых гипотез современной теории — идеи существования пятой фундаментальной силы. Учёные использовали нейтронные звёзды как естественные космические лаборатории, чтобы определить, может ли новая сила взаимодействовать с материей в экстремальных условиях. Полученные результаты показали: если такая сила существует, её влияние оказывается значительно слабее прежних оценок. Об этом сообщает исследовательская группа.

Как нейтронные звёзды помогают проверять фундаментальные теории

Исследование опиралось на идею, что нейтронные звёзды — плотнейшие объекты во Вселенной — позволяют наблюдать физические процессы, которые невозможно воспроизвести на Земле. В их недрах материя сжата до предела, и любое новое взаимодействие, даже крайне слабое, могло бы изменить эволюцию звезды. Похожий подход, когда космические явления раскрывают скрытые закономерности, применяется и в других областях науки: например, обнаружение структур в древних экосистемах помогало пересматривать научные модели, как это происходило в работах, посвящённых трансформации триасовых хищников.

Физики сосредоточились на гипотетических скалярных бозонах — частицах, которые могли бы переносить дополнительную силу, отсутствующую в Стандартной модели. Теоретически такие частицы должны были взаимодействовать с нуклонами и уносить энергию из недр звезды, ускоряя процесс её охлаждения.

Но в земных лабораториях проверить это практически невозможно: чувствительности детекторов недостаточно, а фоновый шум перекрывает едва заметные сигналы.

Что показало моделирование эволюции нейтронных звёзд

Авторы исследования смоделировали жизнь нейтронной звезды — начиная с гравитационного коллапса и заканчивая поздними стадиями, когда объект становится относительно "холодным". Затем они сравнили вычисленные кривые остывания с реальными астрономическими наблюдениями.

Если бы скалярные бозоны активно взаимодействовали с плотной материей, поверхность звезды сегодня была бы существенно холоднее. Однако измерения этого не подтвердили. Полученные данные оказались столь же неожиданными, как когда новые спектроскопические методы позволяли увидеть скрытые детали в других науках — включая открытия необычных структур, выявленных при анализе позднемеловых хищников.

"Наблюдения не выявили дополнительного охлаждения, что значительно ограничивает пространство для пятой силы", — отмечают авторы работы.

Это позволило существенно сузить допустимые параметры возможных взаимодействий.

Насколько слабее оказалась новая потенциальная сила

Сопоставление моделей и наблюдений показало: если новая сила существует, её воздействие на нуклоны как минимум в десять раз слабее прежних верхних оценок. Тем самым исключается целый класс теорий, где скалярные частицы играли заметную роль в эволюции звёзд.

Исследователи подчеркивают, что нейтронные звёзды оказались уникальной платформой для проверки фундаментальной физики — такой же незаменимой, как косвенные методы реконструкции эволюционных линий в палеонтологии, среди которых исследования, пересмотревшие статус некоторых древних хищников, например ошибочно классифицированных теропод.

Результаты демонстрируют: космические условия дают физике доступ к диапазонам плотности и температуры, невозможным в лабораторных экспериментах.

Почему нейтронные звёзды — идеальная "лаборатория"

Нейтронная звезда состоит почти полностью из сверхплотной смеси нейтронов, а её температура и структура зависят от того, как эффективно объект теряет энергию. Даже слабое дополнительное взаимодействие изменило бы этот баланс — и потому стало бы заметным.

Авторы работы подчёркивают: нейтронные звёзды являются идеальным полигоном для проверки экзотических моделей. Их условия уникальны и позволяют проверять теории, которые на Земле остаются недоступными. Подобно тому как глубинные исследования биосферы собирают данные о древних линиях развития — например, как демонстрируют работы об эволюции ранних организмов - нейтронные звёзды раскрывают структуру фундаментальных законов природы.

Несмотря на отсутствие прямых признаков пятой силы, исследование сужает возможный диапазон её параметров и помогает исключать нереалистичные сценарии.

Сравнение: лабораторные и астрофизические методы проверки новых сил

Лабораторные установки ограничены чувствительностью и шумами.
Нейтронные звёзды предоставляют экстремальные условия, недостижимые на Земле.
Эксперименты позволяют контролировать параметры, но не достигают нужной плотности.
Космические объекты дают естественные "данные высокого давления", но их труднее интерпретировать.

Плюсы и минусы использования нейтронных звёзд в фундаментальной физике

Преимущества:

• уникальные условия для проверки сверхслабых взаимодействий;
• возможность тестировать теории, недоступные экспериментально;
• высокая чувствительность моделей к малейшим воздействиям.

Риски и ограничения:

• зависимость от точности астрофизических наблюдений;
• необходимость сложного моделирования;
• трудности в отделении эффектов новой физики от стандартных процессов охлаждения.

Советы по дальнейшим теоретическим исследованиям

1. Проверять модели на широком наборе наблюдений разных нейтронных звёзд.

2. Включать в расчёты вариации состава и структуры звёзды.

3. Сопоставлять данные охлаждения с результатами других методов — гравитационных волн, спектроскопии, температурных карт.

Популярные вопросы о поиске пятой фундаментальной силы

Почему ищут именно скалярные бозоны?
Потому что они простейшие носители гипотетических взаимодействий, выходящих за рамки Стандартной модели.

Почему лаборатории не подходят для таких проверок?
Плотность и давление внутри нейтронных звёзд недостижимы в земных условиях.

Означает ли это, что пятая сила исключена?
Нет, но диапазон её возможных параметров стал намного уже.