عندما يتعرض نجم ضخم لانهيار كارثي، يتحول قلبه إلى فوضى كثيفة من الجزيئات. هذه هي الطريقة التي تظهر بها النجوم النيوترونية – وهي أجسام تكون المادة فيها مضغوطة جدًا لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادتها تزن مليارات الأطنان. إنها تبرد ببطء، على مدى ملايين السنين، ولا يوجد شيء دراماتيكي في هذا الأمر ظاهريًا. ومع ذلك، فإن هذا البطء هو الذي يحولها إلى تجربة طبيعية فريدة من نوعها، لا يمكن للفيزيائيين الوصول إليها إلا من خلال التلسكوبات.

دراسة دولية جديدة نشرت في المجلة بدني مراجعة الرسائليُظهر أن مثل هذه النجوم يمكنها اختبار واحدة من أجرأ أفكار الفيزياء الحديثة – وجود جسيمات افتراضية تنقل القوة الأساسية الخامسة للطبيعة. إذا كانت هذه القوة موجودة، فإنها يمكن أن تغير فهمنا للجاذبية وتقرب العلماء من فهم المادة المظلمة.

يؤكد إدواردو فيتاليانو، أحد مؤلفي العمل، على تعقيد المهمة:

“إن وجود قوة خامسة إضافية قد يشير إلى تحول نموذجي في الفيزياء… ومع ذلك، فإن الانحرافات عن الجاذبية على المستوى المجهري صعبة للغاية للدراسة.”

لماذا الارض غير مناسبة؟

الانحرافات المصغرة عن قانون الجاذبية العالمية في المنشآت المختبرية تغرق في الضوضاء – من الاهتزازات إلى أدنى قفزات في درجات الحرارة. أما في الفضاء، فالظروف أكثر نظافة بكثير. توجد في أعماق النجوم النيوترونية كثافة لا تصدق من النيوكليونات. إذا كانت هناك جسيمات عددية، والتي ليس لها دوران نظريًا ويمكنها حمل قوة جديدة، فيجب أن تنتجها هذه الأجسام حرفيًا في كل مرة تصطدم فيها النيوترونات والبروتونات. ستقوم هذه الجسيمات بحمل الحرارة بعيدًا، مما يؤدي إلى تسريع عملية تبريد النجم.

ولهذا السبب قام الباحثون بإنشاء نماذج مفصلة لتطور النجوم النيوترونية وأضافوا إمكانية انبعاث الجسيمات العددية إلى الحسابات. ثم قام العلماء بمقارنة حساباتهم بأشياء حقيقية، بما في ذلك مصادر الأشعة السينية من المجموعة العجائب السبعة والنجم النابض PSR J0659.

يؤكد المؤلفون على ما يلي:

“لقد أظهرنا لأول مرة أن النجوم النيوترونية القديمة تفرض قيودًا صارمة بشكل استثنائي على تفاعلات النوكليونات العددية، وهي أقوى من ذي قبل”.

ما أظهرته المقارنات

لقد تعامل العلماء مع المشكلة كاختبار بسيط. وإذا تفاعلت الجسيمات الجديدة بالفعل مع المادة الموجودة داخل النجم النيوتروني، فإنها ستحمل بعضًا من الحرارة. ومن ثم سيبرد النجم بشكل أسرع من المعتاد وسيبدو اليوم أكثر برودة بشكل ملحوظ مما تتوقعه النماذج القياسية. لكن التلسكوبات تسجل درجات الحرارة العادية، دون أي إشارة إلى “تبريد إضافي”.

لقد كان غياب فقدان الطاقة غير الضروري هو الذي سمح للباحثين بوضع حد يجب ألا تتجاوزه القوة الافتراضية الجديدة. ببساطة، إذا كان مثل هذا الجسيم موجودًا، فإن تفاعله مع النيوكليونات – اللبنات الأساسية للنواة – يجب أن يكون ضعيفًا جدًا بحيث لا يكون له أي تأثير تقريبًا على درجة الحرارة.

تشير نتائج العمل إلى أن قوة هذا الاتصال لا يمكن أن تكون أكثر من جم ≲ 5×10⁻¹⁴. هذه قيمة صغيرة للغاية: أضعف بنحو مائة تريليون مرة من قوة الجذب بين جسمين عاديين.

كما يؤكد المؤلفون:

“يمكننا استبعاد الاتصالات التي تصل إلى gₙ≲5×10⁻14. الحد الجديد لدينا يتجاوز الحدود السابقة بستة أوامر من حيث الحجم لكتلة الجسيم الافتراضي mφ.”

بمعنى آخر، قام العلماء بتضييق النطاق الذي يمكن أن يوجد فيه مثل هذا الجسيم بشكل كبير. الآن النظريات التي تعترف بوجود قوة خامسة أقوى لم تعد تناسب الملاحظات.

ما الفرق الذي يحدثه؟

والنتيجة لا تدحض تماما فكرة وجود قوة خامسة، لكنها تقلل بشكل كبير من المجال أمام نظريات جديدة. تبين أن الفضاء أكثر فعالية من المختبرات الأرضية عندما يتعلق الأمر بالبحث عن التأثيرات الدقيقة. تختبر النجوم النيوترونية المبادئ الأساسية – بدءًا من قانون التربيع العكسي وحتى التكافؤ – في ظروف لا يمكن تكرارها على الأرض.

ومع ذلك، لا تزال هناك فجوات. ولا يزال العلماء غير متأكدين من فهمهم الكامل للبنية الداخلية لهذه الأجسام الكثيفة. قد تكتشف مراصد الأشعة السينية الجديدة وبعثات موجات الجاذبية المستقبلية نجومًا ذات سلوك غير عادي في درجات الحرارة. إذا ظهرت مثل هذه البيانات، فسيكون ذلك أول تلميح لفيزياء جديدة.