除了引力之外，暗物质是一种未知力的来源吗？神秘的暗物质鲜为人知，试图了解它的性质是现代物理学和天体物理学的一个重要挑战。德国波恩马克斯普朗克射电天文学研究所的研究人员提出了一项新的实验，利用超致密恒星来了解暗物质与标准物质的相互作用。这个实验已经在抑制暗物质性质方面提供了一些改进，但在我们正在进行的银河系中心的探索中，有望取得更大的进展。研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。大约在1600年伽利略的实验使他得出结论，在地球的引力场中，所有的物体，不受质量和成分的影响，都能感受到相同的加速度。
脉冲星的示意图，落在银河系的引力场中。这两个箭头表示引力的方向，指向标准物质——恒星、气体等(黄色箭头)和暗物质的球形分布(灰色箭头)。现在的问题是，暗物质对脉冲星的引力作用是有限的，还是除了引力之外，还受到一种未知的“第五力”的作用。图片：Norbert Wex, with Milky Way Image by R. Hurt (SSC), JPL-Caltech, NASA and pulsar image by NASA
艾萨克·牛顿用不同的材料做了摆实验，以验证所谓的自由落体的普适性，并达到了1:100的精度。最近卫星实验显微镜成功地确定了地球引力场中自由落体的普适性，精确度为1:100万亿。然而这类实验只能检验自由落向普通物质的普遍性，就像地球本身一样，由铁(32%)、氧(30%)、硅(15%)和镁(14%)组成。然而，在大尺度上，普通物质似乎只是宇宙中物质和能量的一小部分。人们相信所谓的暗物质大约占宇宙物质的80%。直到今天还没有直接观测到暗物质。它的存在只是间接地从各种天文观测中推断出来的，如星系的旋转、星系团的运动和引力场透镜。暗物质的实质是现代科学中最突出的问题之一。许多物理学家认为，暗物质是由迄今尚未发现的亚原子粒子组成的。
由于暗物质的未知性质，另一个重要的问题出现了:引力是正常物质和暗物质之间唯一的长期相互作用吗？换句话说，物质是否只感觉到由暗物质引起的时空弯曲，或者是否有另一种力量将物质拉向暗物质，或者甚至可能将其推开，从而降低正常物质和暗物质之间的整体吸引力。这意味着对暗物质自由落体的普遍性的违反。这种假想的力有时被贴上“第五力”的标签，除了自然界中众所周知的四种基本相互作用(万有引力、电磁与弱相互作用、强相互作用)。目前，有各种各样的实验对来自暗物质的第五种力进行了严格的限制。最严格的实验之一是使用地球-月球轨道，并测试向银河系中心的异常加速度，即银河系球状暗物质晕的中心。
这个实验的高精确度来自月球激光测距，通过安装在月球上的复古反射器的回波激光脉冲来测量月球的距离。直到今天，还没有人做过像中子星这样的奇异物体的第五次力测试。有两个原因：双星脉冲星打开一个全新的测试方法之间的这种力量五分之一正常物质和暗物质，首先中子星由无法在实验室中构建的物质组成，密度比原子核大很多倍，几乎全部由中子组成。此外中子星内巨大的引力场，比太阳的引力场强十亿倍，原则上可以大大增强与暗物质的相互作用。利用射电望远镜测量脉冲星的射电信号到达时间，可以高精度地获得双星的轨道。对于某些脉冲星，可以达到100纳秒以上的精度，这对应于对30米以上的脉冲星轨道的确定。
为了测试自由落向暗物质的普适性，研究小组确定了一个特别合适的二元脉冲星，命名为PSR J1713+0747，距离地球约3800光年。这是一个毫秒脉冲星，旋转周期只有4.6毫秒，是已知的脉冲星中最稳定的旋转器之一。此外它与一个白矮星为伴，在一个接近圆形的68天轨道上。当脉冲星天文学家在测试广义相对论时通常对紧实的轨道运动的双星脉冲星感兴趣时，研究人员现在正在寻找一个在宽轨道上缓慢移动的毫秒脉冲星。轨道越宽，对自由落体的普遍性就越敏感。如果脉冲星对暗物质的加速度与白矮星同伴的加速度不同，就会看到双星轨道随时间的变形，即其偏心量的变化。
同样来自MPIfR的Norbert Wex解释道：20多年来，使用Effelsberg和欧洲脉冲星定时阵列的其他射电望远镜以及北美纳米脉冲星定时项目的常规高精度定时显示，轨道的偏心度没有变化。”“这意味着中子星在很大程度上对暗物质和其他标准物质的吸引力是一样的。MPIfR主任、“射电天文学基础物理”研究小组负责人迈克尔克雷默(Michael Kramer)表示:“为了让这些测试更好，我们正忙于在大量预期的暗物质附近寻找合适的脉冲星。理想的地方是银河系中心，在那里我们使用Effelsberg和世界上其他的望远镜来观察我们的黑洞凸轮项目。一旦我们有了平方公里的阵列，我们就能使这些测试变得超级精确。
博科园-科学科普｜参考期刊：文献：物理评论快报｜来自：马克斯普朗克协会
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