Чи існує п’ята сила природи? Астероїди дають нові підказки

У 2023 році місія NASA OSIRIS-REx успішно повернула зразок пилу та каміння з навколоземного астероїда Бенну.  Хоча цей зразок дає важливе уявлення про Всесвіт, дані, зібрані місією, також можуть дати можливість дослідити нові галузі фізики. 

Потенційна п’ята сила Всесвіту 

Дослідницька група під керівництвом Ю-Дай Цая, астрофізика з Національної лабораторії Лос-Аламоса (LANL), використала дані відстеження Бенну, щоб дослідити потенційне існування п’ятої фундаментальної сили у Всесвіті.

«Інтерпретація даних, які ми бачимо під час відстеження Бенну, може розширити наше розуміння теоретичних основ Всесвіту, потенційно оновивши наше розуміння Стандартної моделі фізики, гравітації та темної матерії», — пояснив Цай.  «Траєкторії об’єктів часто містять аномалії, які можуть бути корисними для відкриття нової фізики».

Відстеження навколоземних астероїдів, таких як Бенну

Враховуючи потенційні наслідки для захисту планети, навколоземні астероїди, такі як Бенну, ретельно стежать.  Команда використала дані наземного відстеження, зібрані до та під час місії OSIRIS-REx, щоб дослідити розширення Стандартної моделі фізики, яка наразі пояснює три з чотирьох відомих фундаментальних сил Всесвіту.

З моменту відкриття Бенну в 1999 році оптичні та радіолокаційні астрометричні дані допомогли з точністю уточнити його траєкторію. Місія OSIRIS-REx додала до цього радіометричні та оптичні навігаційні дані відстеження X-діапазону.

«Жорсткі обмеження, яких ми досягли, легко перетворюються на деякі з найсуворіших обмежень п’ятих сил типу Юкава», — сказав співавтор дослідження Санні Ванозі, доцент Університету Тренто.  «Ці результати підкреслюють потенціал відстеження астероїдів як цінного інструменту в пошуку надлегких бозонів, темної матерії та кількох добре вмотивованих розширень Стандартної моделі».

Можливість п’ятої фундаментальної сили 

Траєкторія руху небесного тіла, як і астероїда, формується під дією сили тяжіння та інших сил. Розуміння цих траєкторій може розкрити таємниці, особливо коли з’являються аномалії.  Історично, наприклад, існування Нептуна було зроблено через нерегулярності орбіти Урана до того, як Нептун взагалі спостерігався безпосередньо.

Аналізуючи траєкторію Бенну та розробляючи відповідні моделі, команда встановила обмеження щодо можливості існування п’ятої фундаментальної сили та ролі потенційної посередницької частинки, такої як надлегкий бозон, у цій силі.  Частинка-посередник, що діє на п’яту силу, може змінити орбіту астероїда, такого як Бенну, тому аналіз цих даних відстеження є важливим для дослідження фізики.

Темна матерія і темна енергія 

Нова частинка, така як надлегкий бозон, може розширити Стандартну модель, включивши темну матерію та темну енергію – два явища, які наполегливо припускають космологічні та астрофізичні спостереження, але ще не інтегровані в поточну теоретичну основу. Хоча вважається, що темна матерія становить приблизно 85% усієї матерії Всесвіту, вченим досі бракує конкретного розуміння частинок і сил, які її утворюють.

Відстеження астероїдів і фізика п’ятої сили 

Цай і його команда вперше дослідили ідею використання відстеження астероїдів для дослідження фізики п’ятої сили в статті 2023 року, опублікованій в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.  Після роботи над Бенну вони тепер планують продовжити дослідження з астероїдом Апофіс, який пролетить на відстані 20 000 миль від Землі у 2029 році.

Космічний корабель NASA OSIRIS-APEX має наблизитися до Апофіса під час цього близького прольоту та підняти пил.  Спостереження за тим, як гравітація Землі впливає на Апофіс, коли він проходить повз, нададуть більше даних, які допоможуть у пошуку доказів фізики п’ятої сили.

Зондування фундаментальних питань фізики 

Заглядаючи вперед, дослідницька група також вивчає використання космічних квантових технологій і спеціальних космічних місій для підвищення точності відстеження або безпосереднього пошуку темної матерії.  Ці інновації можуть значно підвищити точність вимірювань і додатково підтримати зусилля з дослідження тонких гравітаційних впливів, які можуть виявити наявність нових частинок або сил.

Такі досягнення можуть прокласти шлях до майбутніх проривів, оскільки вчені продовжуватимуть досліджувати фундаментальні сили, які керують Всесвітом.

Це дослідження є важливим кроком у використанні даних відстеження астероїдів для дослідження фундаментальних питань у фізиці, пропонуючи новий метод дослідження прихованих сил і частинок Всесвіту. Дослідження опубліковано в журналі Nature Communications Physics.