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.

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.

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

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