Физик Вячеслав Турышев из Лаборатории реактивного движения NASA разработал концепцию поиска гипотетической пятой фундаментальной силы природы, следы которой могут проявляться даже в пределах Солнечной системы.
Исследование, опубликованное в журнале Physical Review D, посвящено одной из самых загадочных проблем современной космологии: почему гравитация и связанные с ней явления так по-разному проявляют себя на локальных и космологических масштабах.
Великое расхождение
Турышев изучает проблему расхождения между локальными и космологическими масштабами. В Солнечной системе общая теория относительности работает чрезвычайно точно: движения планет, траектории космических аппаратов и распространение сигналов хорошо совпадают с расчетами.
Но на масштабах галактик и всей Вселенной одной видимой материи недостаточно. Галактики вращаются так, будто в них есть дополнительная невидимая масса, скопления галактик искривляют свет сильнее, чем должна была бы их обычная материя, а расширение Вселенной ускоряется. В стандартной космологии эти эффекты объясняют темной материей и темной энергией.
Именно здесь возникает вопрос: являются ли темная материя и темная энергия неизвестными компонентами Вселенной — или часть этих явлений может указывать на новую физику, например на дополнительное поле или гипотетическую пятую силу? Турышев рассматривает возможность, что такая сила существует, но рядом с массивными телами вроде Солнца становится почти незаметной из-за механизма экранирования.
Две модели экранирования
В исследовании рассматриваются механизмы, которые могли бы объяснить, почему пятая сила остается невидимой в Солнечной системе, но может проявляться на космических масштабах.
Первая модель — «хамелеон». Согласно этой гипотезе, дополнительное поле меняет свои свойства в зависимости от плотности окружающей материи. В плотной среде оно становится почти незаметным, а в разреженной может действовать сильнее. Поэтому рядом с массивными объектами вроде Солнца такая сила почти незаметна, но в менее плотных областях может оставлять слабый измеримый след.
Вторая модель — вайнштейновское экранирование. Здесь влияние пятой силы подавляется окружающим гравитационным полем. Модель вводит понятие «радиуса Вайнштейна»: для Солнца он может составлять около 400 световых лет. Внутри этого радиуса дополнительная сила остается подавленной, а за его пределами восстанавливает свою обычную величину.
Это расстояние охватывает многие соседние звезды, поэтому эффект подавления может распространяться далеко за пределы Солнечной системы.
Нужны специализированные миссии
Обе модели могут проявляться в данных крупных обзорных программ — например, в том, как распределены галактики, как свет далеких объектов искажается гравитацией и как со временем растет крупномасштабная структура Вселенной.
Такие эффекты изучают космический телескоп Европейского космического агентства (ESA) «Евклид» и DESI — Спектроскопический инструмент темной энергии, установленный на 4-метровом телескопе имени Николаса Мейолла в Национальной обсерватории Китт-Пик в США. Однако эти проекты в первую очередь работают с далекими галактиками и космологическими масштабами, а не с тонкими отклонениями гравитации внутри Солнечной системы.
Турышев подчеркивает необходимость специализированных экспериментов внутри Солнечной системы. Для этого потребуются приборы, достаточно чувствительные для регистрации едва заметных отклонений от предсказаний общей теории относительности. Именно такие измерения могли бы показать, остается ли гравитация полностью эйнштейновской даже при сверхточной проверке — или в привычной динамике планет и космических аппаратов все же скрывается слабый след новой физики.
Читайте также: Физики с рекордной точностью измерили массу W-бозона, подтвердив Стандартную модель.
