هذه الاصطدامات العنيفة يمكن أن تنتج المادة المظلمة

يوفر اصطدام نجمين منهارين كثيفين بشكل غير عادي في الكون البعيد أدلة محتملة على الأكسيون، وهو مرشح للمادة المظلمة تم اقتراحه لأول مرة منذ نصف قرن.

البقايا النجمية هي نجوم نيوترونية، وهي الجثث التي تبقى بعد انهيار النجوم الضخمة على نفسها. هذه النجوم الميتة كثيفة جدًا لدرجة أن إلكتروناتها تنهار على بروتوناتها، ومن هنا جاء اسم “النجم النيوتروني”. كما أن كثافتها الشديدة تجعلها مكانًا للفيزياء الغريبة: لقد كانت كذلك على وجه التحديد مقترح كمصدر للمحاور، وهو جسيم افتراضي يمكن أن يساهم في محتوى المادة المظلمة في الكون.

بحث جديد، نشرت في وقت سابق من هذا الشهر في Physical Review Letters، وضع قيودًا على كيفية اقتران الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات بالفوتونات، استنادًا إلى البيانات الطيفية والزمنية المستمدة من اندماج نجم نيوتروني على بعد 130 سنة ضوئية تقريبًا.

الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات (أو ALPs) هي فئة أكثر عمومية من المرشحين الافتراضيين للمادة المظلمة من الأكسيونات، ويعتقد العلماء أنه يمكن الكشف عن طبيعتها من خلال دراسة الفوتونات وتقييد نطاق كتلة الجسيمات. كتب الفريق في ورقته البحثية أن الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات الناتجة عن اندماج النجم النيوتروني تهرب من البقايا وتتحلل مرة أخرى إلى فوتونين، مما ينتج إشارة كهرومغناطيسية يمكن اكتشافها بواسطة التلسكوبات. تم جمع البيانات من ملاحظات عام 2017 للاصطدام التي التقطها تلسكوب فيرمي كبير المساحة (Fermi-LAT).

قال بوبال ديف، الفيزيائي بجامعة واشنطن في سانت لويس والمؤلف الرئيسي للدراسة، في مكالمة هاتفية مع جيزمودو: “بالنسبة لاندماج نجم نيوتروني، هناك فرصة فريدة حيث يمكنك الحصول على إشارة الفوتون”. “يمكننا الاستفادة من هذه الدراسة متعددة المراسلات، وهذه البيانات، لاستكشاف بعض الفيزياء الجديدة خارج النموذج القياسي.”

المادة المظلمة ويبدو أنها تشكل 27% من الكونلكنها تتفاعل بشكل ضعيف مع المادة العادية، وهو ما لا يستطيعه سوى العلماء اكتشافه من خلال تأثيرات الجاذبية على ما نحن يستطيع يرى. مرشحو المادة المظلمة المشهورون (وهذا يعني أن الأطراف المسؤولة نظريًا عن الوجود الظاهري للمادة المظلمة) هي الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs)، والفوتونات المخفية (أو المظلمة)، والأجسام الهالة المدمجة الضخمة (MACHOs)، وبالطبع المحاور.

تم تسمية الأكسيون على اسم إحدى العلامات التجارية لمنظفات الغسيل، وهو عبارة عن جسيم افتراضي تم اقتراحه في السبعينيات كحل للفيزياء. مشكلة قوية CPوالذي يصف حقيقة أن التزام الكواركات بقوانين الفيزياء يظل كما هو، حتى عندما يتم استبدال الجسيمات بصورها المرآة.

تعد النجوم النيوترونية من أكثر الأجسام كثافة في الكون، ولا تغلب عليها سوى الثقوب السوداء. على عكس الثقوب السوداء، يمكن للضوء الهروب من النجوم النيوترونية، مما يجعلها قابلة للرصد على الطيف الكهرومغناطيسي.

يوضح ديف أن المحاور يمكن أن تنشأ من اندماج النجوم النيوترونية بعدة طرق، إذا كانت المحاور مقترنة بالفعل بالفوتونات. من خلال اندماج الفوتون، ستخرج المحاور من الفوتونات التي تتجمع معًا في البيئة الفيزيائية الفلكية شديدة الحرارة وتندمج. الطريقة الأخرى التي يمكن أن تنشأ بها المحاور هي من خلال عملية بريماكوف، حيث يتفاعل الفوتون مع مجموعة من الإلكترونات، مما ينتج عنه محاور.

المحور، كما هو مقترح، صغير جدًا لدرجة أنه قد يتصرف أحيانًا كموجة أكثر من كونه جسيمًا، مما يعني أنه يهرب من مسرح الجريمة بسهولة نسبية. لكن البروتون ضخم (نسبيًا)، لذا يستغرق الأمر لحظة حتى يخرج الجسيم من بؤرة التفاعل هذه. على وجه التحديد، يستغرق الأمر 1.7 ثانية: مقدار التأخير الذي لاحظه الباحثون بين إشارة موجة الجاذبية الصادرة عن اندماج نجم نيوتروني والإشارة الكهرومغناطيسية الصادرة عنها.

“نحصل على الكثير من الفوتونات من السماء. فكيف نعرف حقًا أن إشارة الفوتون هذه تأتي من الأكسيون؟ قال ديف. “يأتي هذا من اضمحلال الجسيم، مقابل العمليات الفيزيائية الفلكية حيث تختفي الفوتونات من التشتت. لذلك هناك اختلاف في الطيف. يمكننا تحليل معلومات التوقيت ويمكننا أيضًا تحليل الميزات الطيفية. وهذا هو المكان الذي يمكننا فيه فصل هذه الأنواع من إشارات الفيزياء الجديدة عن العمليات الفيزيائية الفلكية القياسية.

تعمل التجارب الأرضية أيضًا على تضييق نطاقات الكتلة المحتملة للمحور. لوكس-زيبلين, زينون-1T، و ال تجربة ALPS II، والتي بدأت عملياتها في مايو 2023، كلها مصممة للبحث عن المحاور في أعماق الأرض. ولكن هناك أيضًا مشاريع أخرى، مثل أدكس و ال المادة المظلمة راديو باثفايندر، والعمل على تقييد نطاق الكتلة على الفوتونات المخفية (أو المظلمة)، وهي فئة أخرى من المرشحين للمادة المظلمة. سوف تقوم الأجيال اللاحقة من راديو المادة المظلمة بمطاردة المحاور.

وقال ديف إن البحث الجديد “يعطي بعض القيود الجديدة على الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات، لأننا حتى الآن لم نر أي إشارة لوجود الأكسيونات”. “كما أنه يمنحنا الأمل في أنه في المستقبل، باستخدام هذه الملاحظات الفيزيائية الفلكية، يمكننا الحصول على مزيد من التبصر في الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات. وسيكون هذا مكملاً لعمليات البحث المعملية الجارية.“

إن البحث عن المحاور يشبه إلى حد كبير استخدام جهاز الكشف عن المعادن على شاطئ كبير جدًا. وفي أغلب الأحيان، لا يتمكن الفيزيائيون وعلماء الفلك من اكتشاف أي شيء. لكن البحث في النطاق الكامل للكتل المحتملة للأكسيونات والجسيمات الشبيهة بها هو أفضل طريقة لتعقبها في النهاية.

أكثر: ما هي المادة المظلمة ولماذا لم يعثر عليها أحد حتى الآن؟