قد يتم إنتاج جسيم افتراضي يمكن أن يشكل المادة المظلمة للكون بواسطة النجوم النيوترونية، وهي من أكثر الأجسام كثافة في الكون، وفقًا لفريق من الفيزيائيين.
الجسيمات هي محاور عصبية، وهي واحدة من عدة مرشحات مقترحة لما يسمى بالمادة المظلمة، وهي المادة الغامضة التي تشكل أكثر من ربع مادة الكون. يفترض الآن فريق من الباحثين من جامعات أمستردام وبرينستون وأكسفورد أن المحاور يمكن أن تشكل سحبًا حول النجوم النيوترونية، وهي بقايا نجوم ميتة كثيفة بشكل لا يصدق. يوفر هذا الاكتشاف ساحة جديدة حيث يمكن للباحثين تركيز أبحاث الفيزياء الفلكية على المادة المظلمة، مع تسليط الضوء على الفائدة المحتملة للتلسكوب الراديوي في الفضاء.
مصانع المادة المظلمة المحتملة
يقترح الفريق أن بعض المحاور المنتجة داخل النجوم النيوترونية يمكن أن تتحول إلى فوتونات وتهرب إلى الفضاء. لكن العديد من هذه الجسيمات ستظل محاصرة بجاذبية النجم، لتشكل سحابة محورية حول النجم النيوتروني. تم نشر بحث المجموعة الذي يصف الفكرة مؤخرًا في المراجعة البدنية X ويتابع عملًا سابقًا قام به الفريق والذي استكشف المحاور التي يمكنها الهروب من مجالات الجاذبية للنجوم النيوترونية التي تنتجها.
“عندما نرى شيئًا ما، فإن ما يحدث هو أن الموجات الكهرومغناطيسية (الضوء) ترتد من جسم ما وتضرب أعيننا. وقال أنيرود برابهو، عالم الأبحاث في مركز برينستون للعلوم النظرية والمؤلف المشارك للورقة البحثية، في رسالة بالبريد الإلكتروني إلى جيزمودو: “إن الطريقة التي نرى بها المحاور مختلفة قليلاً”. “على الرغم من أن الضوء يمكن أن يرتد عن المحاور، إلا أن هذه العملية نادرة للغاية. الطريقة الأكثر شيوعًا للكشف عن المحاور هي من خلال تأثير بريماكوف، الذي يسمح للمحاور بالتحول إلى ضوء (والعكس صحيح) في وجود مجال مغناطيسي قوي.
يمكن أن تكون بعض النجوم النيوترونية من بين الأجسام الأكثر مغناطيسية في الكون، ولذلك يتم منحها تسمية خاصة: النجوم المغناطيسية. وقال برابهو إن هذه البيئة الممغنطة للغاية تمثل أرضًا خصبة لتحويل المحاور إلى ضوء، والذي يمكن بعد ذلك اكتشافه بواسطة التلسكوبات الفضائية.
المادة المظلمة وموجات الأكسيون في الكون
المادة المظلمة هي الاسم الشامل لـ 27% من الأشياء الموجودة في الكون والتي لا يستطيع العلماء مراقبتها بشكل مباشر لأنها لا ينبعث منها ضوء ويبدو أنها تتفاعل مع المادة العادية فقط من خلال تفاعلات الجاذبية. ومن بين المرشحين الآخرين الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (أو WIMPs)، والفوتونات المظلمة، والثقوب السوداء البدائية، على سبيل المثال لا الحصر. تم اقتراح الأكسيونات في الأصل كحل لمشكلة في فيزياء الجسيمات: في الأساس، بعض الخصائص المتوقعة للنيوترون لا يتم ملاحظتها في الطبيعة. ومن هنا جاء اسمها – أكسيونات – الذي يأتي من علامة تجارية لمنتجات التنظيف. ففي النهاية، تم اقتراح الأكسيون كوسيلة لحل بعض الألغاز السيئة التي نشأت حول النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. في العام الماضي، قام فريق مختلف من الباحثين بدراسة حلقات أينشتاين – وهي مناطق في الفضاء ينحني فيها الضوء بقوة بسبب الجاذبية، مشكلًا “حلقة” مرئية في الفضاء – ووجدوا أدلة تدعم المحاور كمرشح للمادة المظلمة.
وأشار برابهو إلى أن الموجات الكهرومغناطيسية (أي الضوء) الناتجة عن تحويل المحاور يمكن أن يكون لها أطوال موجية تبلغ جزءًا من البوصة وتصل إلى أكثر من نصف ميل (كيلومتر واحد). لكن الغلاف الأيوني للأرض يحجب الأطوال الموجية الطويلة جدًا من التلسكوبات الأرضية، لذلك قد تكون المراصد الفضائية أفضل رهان لدينا لاكتشاف أدلة على وجود الأكسيونات.
النجوم النيوترونية والمحاور لها تاريخ
قال بنجامين سافدي، عالم فيزياء الجسيمات في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، والذي لم يكن كذلك: “من الثابت في مجال فيزياء الأكسيونات أنه إذا كان لديك مجالات كهربائية كبيرة ومتغيرة بمرور الوقت موازية للمجالات المغناطيسية، فسوف ينتهي بك الأمر إلى الحصول على ظروف مثالية لإنتاج الأكسيونات”. التابعة للورقة الأخيرة، في رسالة بالبريد الإلكتروني إلى Gizmodo. “إذا نظرنا إلى الماضي، فمن الواضح أنه إذا حدثت هذه العملية في النجوم النابضة، فإن جزءًا كبيرًا من المحاور الناتجة يمكن أن يرتبط بالجاذبية بسبب الجاذبية القوية للنجم النيوتروني. يستحق المؤلفون الكثير من الفضل في الإشارة إلى ذلك.
في عام 2021، شارك صفدي في تأليف ورقة بحثية تفترض أنه يمكن إنتاج الأكسيونات في النجوم السبعة الرائعة، وهي مجموعة من النجوم النيوترونية في مجرتنا. ينتج The Magnificent Seven أشعة سينية عالية التردد، واقترح الفريق أن المحاور التي تتحول إلى فوتونات يمكن أن تنتج أشعة سينية مثل تلك التي رصدتها بعض التلسكوبات. لكن العديد من المحاور المنتجة في قلب تلك النجوم النيوترونية تبقى أقرب إلى المصدر، كما قال الفريق الأخير، وتراكم أعدادًا كبيرة منها على مدى مئات الملايين – إن لم يكن المليارات – من السنين.
وكتب الفريق في ورقته البحثية: “تتراكم هذه المحاور على مدى فترات زمنية فيزيائية فلكية، وبالتالي تشكل “سحابة محورية” كثيفة حول النجم”. “في حين أن هناك حاجة إلى فهم أعمق لأوجه عدم اليقين المنهجية في هذه الأنظمة، فإن تقديراتنا الحالية تشير إلى أن التلسكوبات الراديوية الحالية يمكن أن تحسن الحساسية لاقتران الأكسيون والفوتون بأكثر من مرتبة.”
“ومع ذلك، هناك الكثير من الشكوك في الحسابات المقدمة في هذا العمل – وهذا ليس خطأ المؤلفين؛ وأضاف الصفدي: “إنها ببساطة مشكلة صعبة وديناميكية”. “أود أيضًا أن أرى المزيد من العمل الشامل حول آفاق اكتشاف هذه الإشارة، بما في ذلك عمل أفضل لنمذجة مجموعة النجوم النيوترونية وتقدير الحساسية باستخدام الأدوات الحالية والقادمة.”
فكيف يمكننا اكتشاف وتحديد المادة المظلمة؟
لكن التلسكوبات الحديثة الموجودة في الفضاء ليست تلسكوبات راديوية. يرصد تلسكوب ويب الفضائي، الذي تم إطلاقه في عام 2021، بعضًا من أقدم الضوء الذي يمكننا رؤيته في الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء والأشعة تحت الحمراء القريبة. تلسكوب إقليدس الفضائي التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، والذي تم إطلاقه العام الماضي بهدف محدد هو تحسين فهمنا للمادة المظلمة في الكون، يرى أيضًا الكون في الأشعة تحت الحمراء. في الواقع، أحد الخيارات الأكثر إلحاحًا للمرصد الراديوي هو التلسكوب الراديوي للفوهة القمرية (LCRT)، وهو بالضبط ما يبدو عليه: تلسكوب راديوي ضخم من شأنه أن يصنع طبقًا من الحفرة القمرية في الظلام. جانب القمر.
قال صفدي: “تعتبر الأكسيونات واحدة من أفضل رهاناتنا للفيزياء الجديدة، على الرغم من صعوبة استكشافها نظرًا لتفاعلاتها الضعيفة مع المادة العادية”.
وأضاف: “يمكن تضخيم هذه التفاعلات الضعيفة في البيئات الفيزيائية الفلكية القاسية مثل تلك الموجودة في الغلاف المغناطيسي للنجوم النيوترونية”. “إن مثل هذا العمل يمكن أن يفتح بسهولة الطريق نحو الاكتشاف.”
هناك الكثير من التلسكوبات الراديوية التي تقوم بعمل رائع على الأرض، مثل MeerKAT، والتلسكوب الكبير جدًا، وALMA، على سبيل المثال لا الحصر، ولكن يبدو أننا قد نحتاج إلى مهمة فضائية جديدة إذا أردنا الحصول على فرصة لرؤية الموجات الأكسيونية. . لا يوجد ضغط، خزائن ناسا!