Er is een hoek van het universum waar materie zo gecomprimeerd is dat het alle menselijke intuïtie tart. Het is daar, tussen de overblijfselen van sterren die miljarden jaren geleden explodeerden, dat de natuurkunde haar volgende sprong voorwaarts zou kunnen maken. Een nieuwe internationale studie, geleid door Italië en gepubliceerd op Fysieke beoordelingsbrievensuggereert dat het observeren van hoe neutronensterren afkoelen ons zou kunnen helpen begrijpen of er werkelijk een vijfde kracht in het universum bestaat, naast de krachten die we al kennen.
De afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Bari nam ook deel aan het onderzoek. Het basisidee is eenvoudig, althans in woorden: als een nog onbekende kracht in het universum inwerkt, hoe klein ook, moet deze een meetbaar spoor achterlaten. En de afkoeling van neutronensterren is een van de weinige kosmische processen die gevoelig genoeg zijn om het op te merken.
Neutronensterren en afkoeling
Neutronensterren worden geboren uit de gewelddadige dood van sterren die veel groter zijn dan de zon. Na de explosie van een supernova blijft er een heel klein object over op astronomische schaal, maar ongelooflijk compact: een theelepel materie zou miljarden tonnen wegen. In deze extreme omstandigheden worden de wetten van de natuurkunde tot het uiterste gedreven.
En dit is precies waar koeling een rol speelt. Naarmate de tijd verstrijkt, verliest een neutronenster energie en koelt hij langzaam af. Dit proces hangt af van hoe de deeltjes erin met elkaar omgaan. Als er nieuwe deeltjes zouden bestaan, gebonden aan een vijfde kracht, zou de ster sneller energie verliezen dan verwacht.
De onderzoeksgroep, bestaande uit wetenschappers van de universiteiten van Bari, Padua, Sydney en het DESY-centrum in Zeuthen, simuleerde precies dit scenario: wat zou er gebeuren als een nieuwe kracht, gemedieerd door nog onbekende deeltjes, actief zou zijn in een neutronenster?
Van de “Magnificent Seven” tot een pulsar
Om te begrijpen of deze hypothesen standhouden, vergeleken de onderzoekers de theoretische modellen met echte astronomische gegevens. Ze analyseerden enkele geïsoleerde neutronensterren, waaronder de beroemde “Magnificent Seven” en de pulsar PSR J0659, goed bestudeerde objecten omdat ze niet worden beïnvloed door stellaire metgezellen of externe verschijnselen.
Het resultaat is alles behalve triviaal. Als er een vijfde kracht in het universum zou bestaan en zou werken via scalaire deeltjes over kleine afstanden, kleiner dan een miljoenste millimeter, zou dit de afkoelsnelheid van deze sterren merkbaar moeten veranderen. En deze veranderingen, zo leggen de onderzoekers uit, zijn niet zichtbaar.
Dit stelt ons in staat zeer strenge grenzen op te leggen aan het bestaan van een nieuwe kracht: tot een miljoen keer strenger dan de grenzen die tot nu toe zijn verkregen met experimenten op aarde. Kortom, als we naar de hemel kijken, doen we al effectievere fundamentele natuurkundige tests dan veel andere laboratoria op aarde.
De implicaties gaan veel verder dan wetenschappelijke nieuwsgierigheid. Een extra kracht zou een rol kunnen spelen bij het begrijpen van donkere materie, een van de grote raadsels van de moderne astrofysica, en de weg kunnen vrijmaken voor nieuwe theorieën die extra dimensies of deeltjes omvatten die nog nooit eerder zijn waargenomen, zoals uitgelegd door Alessandro Lella, PhD van de Interuniversitaire Afdeling Natuurkunde van de Universiteit en Polytechnische Universiteit van Bari en een van de auteurs van de studie:
Het is opvallend om te bedenken dat een kracht die in staat is om over afstanden te werken die kleiner zijn dan de dikte van een haar, de evolutie van enkele van de meest extreme objecten in het universum zou kunnen beïnvloeden. Astronomische waarnemingen blijken in dit geval het meest effectieve instrument te zijn om deze signalen te onderscheppen.”
In dezelfde lijn zegt Alessandro Mirizzi, coördinator van de Bari-groep:
Astrofysica is tegenwoordig niet alleen een aanvulling op laboratoriumexperimenten. In veel gevallen slaagt hij erin verder te gaan en fundamentele theorieën met verrassende nauwkeurigheid te testen.
Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in:
