Астрофізики з Німеччини, Франції та США досліджували викривлення зіркових дисків чотирьох тисяч галактик з каталогу NASA-Sloan Atlas і показала, що його можна пояснити за допомогою «п'ятої сили», радіус екранування якої становить близько двох мегапарсек, а напруженість (поправка до гравітаційної постійної) ЛЕС 0,025. Статистична значимість цього відкриття становить приблизно 7 сигма, хоча вчені не виключають, що його можна списати на менш екзотичні ефекти. Стаття опублікована в, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
Практично всі явища, пов'язані з гравітаційною взаємодією, - наприклад, обертання планет навколо Сонця, гравітаційний колапс зірки або гравітаційні хвилі - можна пояснити за допомогою Загальної теорії відносності (ОТГ), розробленої Альбертом Ейнштейном на початку XX століття. У цій теорії тяжіння між масивними тілами виникає через викривлення простору-часу. На великих масштабах, порівнянних з відстанню між сусідніми зірками (близько декількох парсек) величина цього викривлення дуже мала, а тому рівняння ОТГ значно спрощуються і зводяться до закону всесвітнього тяжіння Ньютона. Більшість комп'ютерних програм, які чисельно розраховують еволюцію галактик та інших великомасштабних об'єктів, використовують саме це рівняння, а не повні закони ОТГ. Більш детально про Загальну теорію відносності можна прочитати в матеріалах «Це тільки теорія», «Вчора настало завтра» і «На край Всесвіту».
На жаль, ОТГ все-таки не всесильна. Зокрема, вона «ламається» при великій кривизні простору-часу - наприклад, поблизу сингулярності чорної діри - і не може пояснити, звідки береться темна матерія і темна енергія. Щоб вирішити ці проблеми, фізики вводять в теорію нові поля, які порушують закони збереження ОТГ (наприклад, лоренц-інваріантність) і проявляють себе через дію деякої «п'ятої сили». Оскільки закони ОТГ з дуже високою точністю виконуються на масштабах Сонячної системи, напруженість такої сили повинна бути маленькою, а радіус їх дії - великим. Тому «п'яту силу» можна інтерпретувати як поправку до ньютонівського гравітаційного потенціалу: = ‑/- ^/e ‑/^, де - це постійна Ньютона, - маса гравітуючого тіла, - відстань до нього, а параметри ^ і - описують відносну напруженість і радіус екранування «п'ятої сили». Чим менша маса частинок-переносників нової сили, тим більший радіус екранування (лід 1916 1/), і тим слабша сила спадає з відстанню. У випадку, коли частинки зовсім не мають маси, радіус прагне до нескінченності, як у випадку електромагнітної взаємодії, переносниками якої виступають фотони.
В даний час вчені наклали досить суворі експериментальні обмеження на параметри. Зокрема, у березні цього року фізики зі США та Японії за допомогою розсіювання нейтронів підтвердили, що закон Ньютона добре працює аж до відстаней порядку > 0,1 нанометра. Аналогічні обмеження були встановлені і для дуже великих масштабів: у вересні цього року група вчених під керівництвом Йенса Яше (Jens Jasche) проаналізувала відхилення між центрами випромінювання зірок і молекулярного водню окремих галактик і показала, що відношення ^/не перевищує 10 − 4 для відстаней прядка 50 мегапарсек. У той же час, дослідники виявили, що на відстані близько двох мегапарсек, порівнянному з розмірами великих галактик, відношення Лід/ 0,025 з достовірністю близько 7 сигма, тобто з імовірністю помилки менш 10 ‑ 10. Цей результат може вказувати на те, що «п'ята сила» дійсно існує, хоча маса її переносників і напруженість дуже мала.
Тому група Йенса Яше вирішила перевірити цей результат незалежним способом. Для цього вчені дослідили здаються деформації зіркових дисків галактик з каталогу NASA-Sloan Atlas. В даний час астрофізики погано розуміють, які ефекти призводять до таких деформацій - зокрема, передбачається, що вони можуть бути пов'язані з приливними взаємодіями або міжгалактичними магнітними полями. «П'ята сила» теж може спотворити зображення, якщо радіус її дії досить великий, щоб екранувати зоряний диск, але недостатньо великий, щоб вплинути на динаміку галактики в цілому. У цьому випадку зірковий диск буде відставати від центру галактичного гало, а «п'ята сила» буде деформувати його до чашеобразної форми.
Щоб помітити такі спотворення, вчені теоретично розрахували червоне зміщення зірок, які знаходяться на різних відстанях від центру галактики, враховуючи вплив «п'ятої сили» з довільним радіусом. Потім вчені вибирали пробну галактику з каталогу NASA-Sloan Atlas і порівнювали спостережуваний і розрахунковий розподіл (), підбираючи параметри. Всього дослідники розглянули 4200 галактик, віддалених від Землі на середню відстань близько 76 мегапарсек і мають масу більше мільярда мас Сонця. Порівнюючи розподілення за допомогою байєсовського аналізу, вчені розрахували найбільш вірогідні значення. В результаті виявилося, що зі статистичною значимістю близько 7 сигма значення ^ відмінне від нуля на масштабах близько 1,8 мегапарсек, причому найбільш імовірне значення.
Цей результат відмінно узгоджується з результатами попередніх вимірювань, хоча і отриманий принципово іншим способом. Втім, автори статті зазначають, що вони не можуть виключити гіпотезу, яка пояснює деформацію зіркових дисків повністю в рамках моделі ^ CDM.
В даний час існує безліч теорій, в яких лоренц-інваріантність рівнянь руху порушується за рахунок «п'ятої сили» з маленькою напруженістю і великим радіусом дії. Зокрема, до таких теорій належать хамелеонна, симетронна і шмельова гравітація. У травні цього року ми писали, як бразильські фізики оцінили напруженість шмелевого поля, розглядаючи класичні ефекти ОТГ - прецесію перигелія планет, відхилення світла в околиці Сонця і ефект Шапіро. У результаті вчені не знайшли жодних відхилень від передбачень ОТГ, що накладає досить суворі обмеження на напреженість поля в Сонячній системі (відповідний безрозмірний параметр < 10 − 13). А в грудні минулого року американські фізики-теоретики розглянули симетронну гравітацію і показали, що в деяких випадках в ній працюють прості електростатичні аналогії - наприклад, метод зображень, - які дозволяють істотно спростити розрахунки.
У листопаді минулого року американський фізик Хуман Давудіазл (Hooman Davoudiasl) показав, що за допомогою «п'ятої сили» можна пояснити невдачі наземних детекторів, які досі не змогли зареєструвати жодної частинки темної матерії. Розрахунки вченого показують, що такі пошуки будуть свідомо приречені на провал, якщо радіус дії «п'ятої сили» перевищує радіус Землі - цьому випадку «темні» частинки будуть просто відштовхуватися від планети, і зловити їх вийде тільки за допомогою космічних детекторів, віддалених від великих мас звичайної матерії. Оцінки, отримані групою Яше, не суперечать цій вимозі.