طور علماء الفيزياء طريقة جديدة لدراسة المادة المظلمة باستخدام كاشفات موجات الجاذبية، مما قد يكشف عن تأثير جزيئات المادة المظلمة على النجوم النيوترونية. يوفر هذا النهج رؤى جديدة حول المادة المظلمة خارج نطاق الكشف عن أجهزة الكشف الحالية، مما يمهد الطريق لاكتشافات المادة المظلمة في المستقبل باستخدام مراصد موجات الجاذبية المتقدمة.
تُعد المادة المظلمة أمرًا أساسيًا لفهمنا للكون، لكن طبيعتها الدقيقة تظل لغزًا. يعد الكشف عن خصائص المادة المظلمة هدفًا مهمًا في علم الكونيات وفيزياء الجسيمات.
تعاون فيزيائيون من معهد تاتا للأبحاث الأساسية، والمعهد الهندي للعلوم، وجامعة كاليفورنيا، بيركلي، لإطلاق طريقة جديدة لدراسة المادة المظلمة. تستخدم هذه الطريقة عمليات البحث عن موجات الجاذبية لاكتشاف التأثير المحتمل للمادة المظلمة على النجوم النيوترونية.
وأوضح سوراجانا بهاتاشاريا، وهو طالب دراسات عليا في TIFR والمؤلف الأول للدراسة المنشورة في مجلة Physical Review Letters، أن جزيئات المادة المظلمة في درب التبانة تتراكم في النجوم النيوترونية بسبب تفاعلاتها غير الجاذبية. تشكل الجسيمات المتراكمة نواة كثيفة، والتي تنهار إلى ثقب أسود صغير إذا كانت جسيمات المادة المظلمة ثقيلة وليس لها نظير للجسيمات المضادة.
ضمن النطاق الأكبر المسموح به لكتل جسيمات المادة المظلمة، سوف يبتلع الثقب الأسود الأولي نجمه النيوتروني المضيف ويحوله إلى ثقب أسود كتلته نجم نيوتروني. بشكل حاسم، تتنبأ نظرية التطور النجمي بأن الثقوب السوداء تتشكل عندما تتجاوز كتلة النجوم النيوترونية حوالي 2.5 مرة كتلة الشمس، كما هو مشفر بواسطة Tolman-Oppenheimer-Volkofflimit، ولكن هنا، الثقوب السوداء منخفضة الكتلة الناتجة عن المادة المظلمة عادة ما تكون أصغر من أكبر النجوم النيوترونية.
أشار أنوبام راي، القائد المشارك في هذا العمل: "بالنسبة لمتغيرات المادة المظلمة التي لم يتم استبعادها من خلال تجارب أخرى، يجب أن تطورت أنظمة النجوم النيوترونية الثنائية القديمة في المناطق الكثيفة من درب التبانة إلى أنظمة ثقوب سوداء ثنائية. إذا لم نر أي اندماجات غير عادية منخفضة الكتلة، فإن هذا يضع قيودًا جديدة على المادة المظلمة".
ربط المادة المظلمة بالثقوب السوداء
ومن المثير للاهتمام أن بعض الأحداث التي اكتشفها مرصد LIGO، مثل GW190814 وGW190425، يبدو أنها تتضمن جسمًا مضغوطًا واحدًا على الأقل منخفض الكتلة. أحد الاقتراحات المحيرة، المستند إلى العمل الرائد الذي قام به هوكينج وزيلدوفيتش في الستينيات، هو أن الثقوب السوداء منخفضة الكتلة قد يكون لها أصل بدائي، نتج عن تقلبات كثافة نادرة للغاية ولكنها هائلة في الكون المبكر.
وبسبب هذه الاعتبارات، أجرى تعاون مرصد ليجو عمليات بحث مستهدفة عن الثقوب السوداء منخفضة الكتلة ووضع حدود لها. تُظهر الدراسة التي أجراها بهاتاشاريا ومعاونوه أن ظاهرة الاندماجات منخفضة الكتلة التي لم يكتشفها مرصد ليغو تفرض أيضًا قيودًا صارمة على المادة المظلمة للجسيمات.
تعتبر القيود المقترحة في هذه الدراسة ذات قيمة كبيرة لأن مساحة المعلمة التي تستكشفها تتجاوز نطاق الكشف الحالي لكاشفات المادة المظلمة الأرضية (مثل XENON1T، PANDA، LUX-ZEPLIN)، خاصة بالنسبة لجزيئات المادة المظلمة الثقيلة.
مستقبل رصد موجات الجاذبية
من المتوقع أن يتم اكتشاف اندماج الثقوب السوداء منخفضة الكتلة ليس فقط عن طريق أجهزة كشف موجات الجاذبية الموجودة مثل LIGO، وVIRGO، وKAGRA، ولكن أيضًا عن طريق أجهزة الكشف القادمة مثل AdvancedLIGO، وCosmic Explorer، وتلسكوب أينشتاين. ومن خلال الأخذ في الاعتبار خطط تطوير تجارب موجات الجاذبية الحالية، ومع الأخذ في الاعتبار الزيادات في حساسيتها ووقت المراقبة، تتنبأ الدراسة بالقيود التي يمكن الحصول عليها خلال العقد المقبل.
على وجه الخصوص، يُظهر البحث أن عمليات رصد موجات الجاذبية يمكنها اكتشاف تفاعلات ضعيفة للغاية للمادة المظلمة الثقيلة، أقل بكثير مما يسمى "أرضية النيوترينو" التي يجب أن تتعامل فيها أجهزة الكشف التقليدية للمادة المظلمة مع خلفية النيوترينو الفيزيائية الفلكية.
وعلى العكس من ذلك، إذا تم اكتشاف ثقوب سوداء غريبة منخفضة الكتلة في المستقبل، فقد يوفر ذلك أدلة قيمة حول طبيعة المادة المظلمة. ويشير المؤلف بتفاؤل إلى أن: "أجهزة كشف موجات الجاذبية أثبتت فائدتها في الكشف المباشر عن الثقوب السوداء وموجات الجاذبية التي تنبأ بها أينشتاين، وقد تصبح في النهاية أداة قوية لاختبار نظريات المادة المظلمة".
المرجع: "مقالة نشرتها سولاجنا بهاتاشاريا وباسوديب داسغوبتا ورانجان لاها وأنوبام راي في "رسائل المراجعة الفيزيائية" في 29 أغسطس 2023: "هل يستطيع مرصد LIGO اكتشاف المادة المظلمة غير المدمرة"
دوى:10.1103/PhysRevLett.131.091401
المصدر المجمع: ScitechDaily