Человечество потратило десятилетия и миллиарды долларов, чтобы найти трещину в фундаменте физики — и вот группа астрофизиков из Германии, Италии и Австралии доказала, что искать её нужно было не на Земле, а на кладбище звёзд.
Ноябрь 2025 года войдёт в историю науки как месяц, когда остывающие нейтронные звёзды — эти космические мертвецы размером с город — нанесли сокрушительный удар по надеждам физиков-теоретиков. Четверо исследователей во главе с Дамиано Фиорилло из DESY опубликовали работу, которая закрывает целую область поиска новой физики. Их вердикт беспощаден: если пятая сила и существует на расстояниях от микрометра до пикометра, то она настолько слаба, что практически неотличима от нуля.
Казалось бы, отрицательный результат. Ничего не нашли. Но в этом «ничего» скрывается научная драма масштабом с греческую трагедию. Потому что учёные не просто улучшили предыдущие ограничения — они разгромили их в пух и прах, сделав предыдущие эксперименты похожими на детские игрушки.
Охота на призрак Ньютона
Со школьной скамьи нам вдалбливают, что в природе существует четыре фундаментальных взаимодействия: гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные. Точка. Закройте учебник. Но физики — народ беспокойный, и вот уже полвека они одержимы идеей, что где-то там, в тени общепринятых теорий, прячется нечто пятое.
Пятая сила — это не мистика и не выдумка фантастов. Это строгое теоретическое предсказание, вытекающее из попыток объединить квантовую механику с гравитацией. Многие модели — от теории струн до концепций с дополнительными измерениями — предсказывают существование лёгких скалярных частиц, которые создавали бы новый тип взаимодействия между обычной материей. Эти частицы могли бы объяснить природу тёмной материи, решить проблему иерархии масс и вообще стать ключом к Теории Всего.
Загвоздка в том, что на больших расстояниях гравитация Ньютона работает идеально. Спутники летают, планеты вращаются, яблоки падают строго по расписанию. Значит, если пятая сила существует, она должна проявляться только на очень малых масштабах — там, где её труднее всего поймать.
Десятилетиями экспериментаторы строили всё более изощрённые приборы: торсионные весы, атомные интерферометры, казимировские установки. Они измеряли силы на расстояниях в микрометры с точностью, от которой у инженеров прошлого века случился бы инфаркт. И что же? Пятая сила упорно отказывалась являться. Но теоретики не сдавались: может, она просто слишком слаба для наших земных игрушек?
И тут на сцену выходят нейтронные звёзды.
Космическое кладбище как лаборатория
Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро коллапсирует. Если масса достаточно велика, но не чрезмерна, получается нейтронная звезда — объект диаметром около 20 километров, в который упаковано полторы солнечных массы. Плотность материи там такова, что чайная ложка вещества весила бы миллиарды тонн. Протоны и электроны вдавлены друг в друга, образуя нейтронную жидкость — состояние, недостижимое ни в одной земной лаборатории.
После рождения нейтронная звезда раскалена до триллионов градусов. Затем она начинает медленно остывать, излучая нейтрино и фотоны. Этот процесс растягивается на сотни тысяч лет, и астрономы могут наблюдать его в реальном времени — точнее, сравнивая теоретические кривые остывания с измеренными температурами и возрастами конкретных звёзд.
Вот здесь и кроется гениальность идеи. Если бы существовали лёгкие скалярные частицы, они рождались бы в недрах нейтронной звезды при столкновениях нейтронов. Эти частицы беспрепятственно покидали бы звезду, унося с собой энергию. Результат? Звезда остывала бы быстрее, чем предсказывает стандартная теория. Слишком холодная звезда для своего возраста — вот улика, которую искали исследователи.
Группа «Великолепная семёрка» — это семь изолированных нейтронных звёзд, расположенных относительно близко к Солнцу. Четыре из них, плюс пульсар PSR J0659, стали подопытными кроликами в этом космическом эксперименте. Их возраст известен, их температуры измерены. Осталось сравнить теорию с наблюдениями.
Почему труп лучше взрыва
До сих пор золотым стандартом в охоте на экзотические частицы считалась сверхновая SN 1987A — звезда, взорвавшаяся в Большом Магеллановом Облаке в 1987 году. Детекторы на Земле зафиксировали поток нейтрино, и физики использовали эти данные, чтобы ограничить свойства гипотетических частиц: если бы они существовали и уносили слишком много энергии, нейтринный сигнал был бы короче.
Так почему холодные нейтронные звёзды оказались в десять тысяч раз чувствительнее горячих сверхновых?
Ответ кроется в квантовой механике излучения. Когда аксион (родственник скалярной частицы, но с другими свойствами) излучается нуклоном, происходит переворот спина. Этот процесс подавлен множителем, зависящим от температуры одинаково для аксионов и нейтрино. Поэтому в горячей сверхновой и в холодной нейтронной звезде соотношение аксионного и нейтринного излучения примерно одинаково.
Но для скалярных частиц ситуация принципиально иная. При их излучении спин не переворачивается, зато работает подавление по квадрупольному моменту — оно зависит от импульса нуклонов, а не от температуры среды. В горячей сверхновой нуклоны движутся хаотично, их импульс определяется температурой. В холодной нейтронной звезде нуклоны вырождены — их импульс фиксирован на уровне фермиевского и не зависит от температуры.
Математика беспощадна: при температуре около 10 кэВ (типичной для старых нейтронных звёзд) излучение скаляров подавлено в десять миллионов раз слабее относительно нейтрино, чем в сверхновой. Холодный труп бьёт горячий взрыв нокаутом.
Вердикт: виновных не обнаружено
Команда Фиорилло проанализировала данные пяти нейтронных звёзд, сравнив их наблюдаемые светимости и возрасты с теоретическими моделями остывания. Они варьировали массы звёзд, состав их оболочек, уравнения состояния сверхплотной материи. И вывод однозначен: никаких признаков аномального охлаждения не обнаружено.
Это позволило установить новый предел на связь скалярных частиц с нуклонами: gN ≲ 5 × 10⁻¹⁴. Для неспециалиста эта цифра мало что значит, поэтому переведём на человеческий язык. Предыдущий рекорд, установленный по наблюдениям белых карликов, был примерно 7 × 10⁻¹³. Новое ограничение строже более чем в десять раз.
Но главный шок — сравнение со сверхновой 1987A. При массах скаляра около 100 кэВ нейтронные звёзды чувствительнее в десять тысяч раз. Это не эволюционное улучшение — это революция. Как если бы вы измеряли расстояние до Луны с помощью линейки, а потом вдруг получили лазерный дальномер.
В терминах юкавского потенциала — так физики параметризуют отклонения от ньютоновской гравитации — новое ограничение означает |α| ≲ 4 × 10¹⁰. Проще говоря: если пятая сила и существует в диапазоне от микрометра до пикометра, она слабее гравитации в сорок миллиардов раз. Практически неотличима от фикции.
Эпитафия для новой физики?
Что означает этот результат для физики? Оптимисты скажут: мы просто сузили область поиска, наука движется вперёд методом исключения. Пессимисты возразят: мы уже полвека исключаем и исключаем, а Стандартная модель стоит непоколебимо, словно издеваясь над нашими попытками её опровергнуть.
Правда, как обычно, посередине — но ближе к пессимистам. Каждый отрицательный результат закрывает очередную дверь. Теории с дополнительными измерениями, предсказывающие скалярные частицы в данном диапазоне масс, теперь вынуждены объяснять, почему связь с нуклонами настолько микроскопична. Модели релаксионов и дилатонов уползают в ещё более экзотические углы параметрического пространства.
Есть, впрочем, ирония истории. Авторы работы честно признают: их метод имеет систематические неопределённости фактором 2–3 из-за плохо известных свойств ядерного взаимодействия в сверхплотной материи. Но даже с учётом этого их результат остаётся рекордным с огромным запасом.
Нейтронные звёзды оказались не просто космическими курьёзами, а уникальными детекторами фундаментальной физики. Их экстремальные условия — сверхвысокая плотность, низкая температура, квантовое вырождение материи — создают среду, недостижимую ни в одном земном эксперименте. И эта среда говорит нам: пятая сила, если она есть, прячется так глубоко, что может оказаться вечно недосягаемой.
Наука — это не триумфальное шествие от открытия к открытию. Это бесконечная череда разочарований, перемежаемых редкими вспышками удачи. Работа Фиорилло и коллег — блестящий пример того, как «ничего не найти» может быть не менее важным результатом, чем «найти что-то». Они не обнаружили пятую силу. Они обнаружили, что она не может существовать в той форме, которую предсказывали многие теории.
Мёртвые звёзды действительно похоронили пятую силу — по крайней мере, в её канонической инкарнации. Но физика не умирает вместе со своими гипотезами. Она перерождается, мутирует, находит новые лазейки. Через пять лет кто-нибудь придумает механизм, обходящий эти ограничения. Через десять — построят детектор ещё чувствительнее. А пока мы можем лишь констатировать: Вселенная в очередной раз оказалась проще, чем хотелось бы теоретикам. И, пожалуй, это тоже своего рода красота.