Neutronstjärnor är extremt täta stjärnrester som huvudsakligen består av nukleoner (dvs. protoner och neutroner). Under miljontals år kyls dessa stjärnor gradvis ned och avger värme till rymden.
Kylningsprocessen hos neutronstjärnor kan vara ett lovande testområde för olika hypotetiska partiklar, inklusive så kallade skalära partiklar. Dessa är partiklar som inte har någon spinn och som, enligt vissa teoretiska förutsägelser, kan kopplas till nukleoner.
Skalära partiklar antas bryta mot två grundläggande gravitationslagar, kända som ekvivalensprincipen och inversa kvadratlagen. Observationen av dem skulle därmed kunna berika den nuvarande förståelsen av universum och dess underliggande fysiska krafter avsevärt.
Forskare vid Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, det italienska nationella institutet för kärnfysik, universitetet i Sydney och universitetet i Padua har nyligen genomfört en studie som syftar till att undersöka möjligheten att skalära partiklar påskyndar kylningsprocesser, genom att jämföra teoretiska förutsägelser med simuleringar av neutronstjärnor. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters, sätter de strängaste gränserna hittills för styrkan hos skalär-nukleoninteraktioner, samtidigt som den lyfter fram potentialen hos neutronstjärndata för att undersöka existensen av en femte kraft.
”Alla fenomen som rör partiklarna som utgör vanlig materia (dvs. protoner, elektroner och neutroner) bestäms av fyra grundläggande krafter: gravitation, elektromagnetism, stark kärnkraft och svag kärnkraft”, säger Edoardo Vitagliano, medförfattare till artikeln, till Phys.org.
”Förekomsten av en ytterligare femte kraft kan signalera ett paradigmskifte inom fysiken, och många experiment har ägnats åt sökandet efter en sådan femte kraft. Avvikelser från gravitationen på mesoskopisk nivå (mellan den makroskopiska och mikroskopiska världen) är dock mycket svåra att undersöka.”
Neutronstjärnor som ett medel för att söka ny fysik
När Vitagliano och hans kollegor studerade tidigare litteratur och teorier om en femte kraft insåg de att neutronstjärnor kunde vara lovande naturliga laboratorier för att undersöka dess existens. Kända neutronstjärnor, såsom de så kallade ”Magnificent Seven” och pulsaren PSR J0659, skulle faktiskt kunna vara värdar för interaktioner mellan skalärer och nukleoner, vilket skulle kunna ge upphov till en sådan kraft.
”Precis som den elektromagnetiska interaktionen beror på utbytet av fotoner, skulle den nya kraften förmedlas av en ny skalär partikel”, säger Vitagliano. ”En sådan partikel förutsägs i många utvidgningar av standardmodellen för partikelfysik, kan vara förknippad med existensen av extra dimensioner och skulle kunna spela rollen som mörk materia i vårt universum.”
Skalära partiklar skulle produceras i stora mängder vid spridningen mellan neutroner eller protoner. Det är känt att dessa två typer av partiklar finns i neutronstjärnors kärna.
”Tack vare sin extremt höga densitet skulle neutronstjärnors utveckling påverkas dramatiskt av förekomsten av nya krafter”, säger Vitagliano. ”Neutronstjärnor är som en varm måltid som svalnar med tiden, och nya partiklar skulle kyla ner dem snabbare.”
För att utforska denna möjlighet genomförde forskarna sofistikerade och avancerade neutronstjärnsimuleringar. Dessa simuleringar visade neutronstjärnornas utveckling från deras födelse till deras nuvarande ålder och visade hur hypotetiska skalära partiklar skulle produceras inuti stjärnorna.
”Simuleringar som tar hänsyn till utsläppet av skalära partiklar som förmedlar en ny femte kraft leder till neutronstjärnor som idag skulle vara mycket kallare än vad våra teleskop observerar”, förklarar Alessandro Lella, medförfattare till artikeln. ”Om en femte kraft existerar måste den därför vara tillräckligt svag för att inte påverka den observerade neutronstjärnornas utveckling. ”
Sätter rekordgränser för en femte kraft
I sina simuleringar fann forskarna inga bevis för ytterligare energiförlust, vilket tyder på att de neutronstjärnor de undersökte kyldes normalt. Detta gjorde det möjligt för dem att sätta nya gränser för skalär-nukleonkopplingar, vilket kan ge information för framtida sökningar efter skalära partiklar och bevis för en femte kraft.
”Vi kom fram till den slående slutsatsen att om en ny kraft verkar mellan partiklar på ett avstånd som är mindre än ett hårstrås tjocklek, är astronomiska observationer faktiskt det bästa sättet att upptäcka den”, säger Vitagliano. ”Vi fann att en eventuell femte kraft måste vara mycket svagare än vad man tidigare trott.”
De strikta begränsningar som Vitagliano, Lella och deras kollegor Damiano Fiorillo och Ciaran O’Hare fastställt kan bidra till att förfina teorier som förutsäger brott mot gravitationen. I framtiden hoppas forskarna kunna undersöka förekomsten av en femte kraft och skalärer som förmedlar den ytterligare med hjälp av nyinsamlade astronomiska data.
”Fysiken som styr neutronstjärnornas inre är fortfarande långt ifrån fullt förstådd”, tillägger Lella. ”Det är troligt att vi ännu inte har förstått alla möjligheter som studiet av dessa kompakta objekt kan erbjuda. Kommande astronomiska observationer kan innehålla några överraskningar. Om tidigare okända fenomen upptäcks i neutronstjärndata kan de öppna nya vägar mot förståelsen av de mest dolda mysterierna i vårt universum.”
Mer information: Damiano F. G. Fiorillo et al, Leading Bounds on Micrometer to Picometer Fifth Forces from Neutron Star Cooling, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/tlqz-713s
