صائدو التلألؤ الكوني: هل يمكن لضوء النجوم النابضة أن يكشف سر المادة المظلمة؟

يستكشف بحث جديد إمكانية أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات نظرية تسمى الأكسيونات، مع التركيز على اكتشافها من خلال الضوء الإضافي المنبعث من النجوم النابضة. الملاحظات الأولية لم تؤكد بعد المحاور، لكن البحث مهم لفهم المادة المظلمة.

السؤال الأساسي في البحث الحالي عن المادة المظلمة هو: مما تتكون المادة المظلمة؟ إحدى الإجابات المحتملة هي أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات تسمى الأكسيونات. تشير الأبحاث الحديثة التي أجراها علماء الفيزياء الفلكية في جامعة أمستردام وجامعة برينستون إلى أنه إذا كانت المادة المظلمة مكونة بالفعل من محاور عصبية، فإنها قد تظهر نفسها على شكل توهج إضافي خافت من النجوم النابضة.

قد تكون المادة المظلمة هي العنصر الأكثر سخونة في عالمنا. ومن المثير للدهشة أن هذا الشكل الغامض من المادة، والذي استعصى الفيزيائيون وعلماء الفلك على اكتشافه حتى الآن، يُعتقد أنه يشكل جزءًا كبيرًا من المادة الموجودة في الكون. يُشتبه في أن ما لا يقل عن 85% من المادة الموجودة في الكون هي "مادة مظلمة"، والتي لا يمكن اكتشافها حاليًا إلا من خلال قوة الجذب التي تمارسها على الأجسام الفلكية الأخرى. من المفهوم أن العلماء يريدون المزيد. إنهم يريدون رؤية المادة المظلمة فعليًا، أو على الأقل اكتشاف وجودها بشكل مباشر، بدلاً من مجرد استنتاجها من تأثيرات الجاذبية. بالطبع، يريدون أيضًا معرفة ما هي المادة المظلمة.

حل مشكلتين

هناك شيء واحد واضح: المادة المظلمة لا يمكن أن تكون نفس المادة التي خلقنا منها أنا وأنت. لو كان الأمر كذلك، لتصرفت المادة المظلمة مثل المادة العادية، لتشكل أجسامًا مثل النجوم، وتتوهج ولم تعد "مظلمة". لذلك يبحث العلماء عن شيء جديد - جسيم لم يتم اكتشافه بعد والذي من المحتمل أن يتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع أنواع الجسيمات التي نعرفها، وهو ما يفسر سبب بقاء هذا الجزء من عالمنا بعيد المنال حتى الآن.

لدينا العديد من القرائن للبحث عنها. إحدى الفرضيات الشائعة هي أن المادة المظلمة قد تكون مكونة من محاور عصبية. ظهر هذا النوع الافتراضي من الجسيمات لأول مرة في السبعينيات لحل مشكلة لا علاقة لها بالمادة المظلمة. باعتبارها واحدة من اللبنات الأساسية للذرات العادية، فإن فصل الشحنات الموجبة والسالبة داخل النيوترون صغير بشكل مدهش. بالتأكيد يريد العلماء معرفة السبب. وتبين أن الجسيم غير المكتشف حتى الآن يتفاعل بشكل ضعيف للغاية مع أحد مكونات النيوترون لإنتاج هذا التأثير بالضبط. في وقت لاحق، أعطى فرانك ويلتشيك، الحائز على جائزة نوبل، اسمًا للجسيم الجديد: الأكسيون - ليس فقط مشابهًا في الاسم لجسيمات أخرى مثل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات والفوتونات، ولكنه مستوحى أيضًا من مسحوق الغسيل الذي يحمل نفس الاسم. ظهرت الأكسيونات لحل مشكلة ما.

في الواقع، على الرغم من أنه لم يتم اكتشافه مطلقًا، إلا أنه قد يحل مشكلتين. يبدو أن العديد من نظريات الجسيمات الأساسية، بما في ذلك نظرية الأوتار (واحدة من أبرز المرشحين لتوحيد جميع القوى في الطبيعة)، تتنبأ بإمكانية وجود جسيمات تشبه الأكسيونات. إذا كانت الأكسيونات موجودة بالفعل، فهل يمكنها أيضًا أن تشكل بعضًا أو حتى كل المادة المظلمة المفقودة؟ ربما يكون الأمر كذلك، لكن السؤال الآخر الذي يزعج جميع أبحاث المادة المظلمة ينطبق بالتساوي على الأكسيونات: إذا كان الأمر كذلك، فكيف يمكننا رؤيتها؟ كيفية جعل الأشياء "المظلمة" مرئية؟

إلقاء الضوء على المادة المظلمة

ولحسن الحظ بالنسبة للأكسيونات، يبدو أن هناك طريقة للتغلب على هذه المعضلة. إذا كانت النظريات التي تتنبأ بالمحاور صحيحة، فليس من المتوقع أن يتم إنتاجها بأعداد كبيرة في الكون فحسب، بل يمكن أيضًا تحويل بعض المحاور إلى ضوء تحت تأثير المجالات الكهرومغناطيسية القوية. وبمجرد وجود الضوء، يمكننا أن نرى. هل يمكن أن يكون هذا هو المفتاح لاكتشاف المحاور، وبالتالي المادة المظلمة؟

للإجابة على هذا السؤال، يجب على العلماء أن يسألوا أنفسهم أولا، أين تحدث أقوى المجالات الكهربائية والمغناطيسية المعروفة في الكون؟ الجواب: في المنطقة المحيطة بالنجم النيوتروني الدوار، المعروف أيضًا باسم النجم النابض. هذه النجوم النابضة - وهي اختصار لـ "النجم النابض" - هي أجسام مدمجة لها نفس كتلة الشمس تقريبًا ولكن نصف قطرها أصغر بنحو 100000 مرة، أي حوالي 10 كيلومترات فقط. النجوم النابضة صغيرة جدًا ولكنها تدور بترددات عالية للغاية، وتصدر أشعة راديوية ضيقة ومشرقة على طول محور دورانها. يعمل شعاع النجم النابض كمنارة ويمكنه أن يكتسح الأرض، مما يجعل من السهل مراقبة النجم النابض.

ومع ذلك، هناك ما هو أكثر من ذلك بالنسبة للدوران الهائل للنجم النابض. إنه يحول النجم النيوتروني إلى مغناطيس كهربائي قوي للغاية. وهذا بدوره قد يعني أن النجوم النابضة هي مصانع أكسيونات فعالة للغاية. يمكن للنجم النابض العادي إنتاج 50 رقمًا من المحاور في الثانية. ونظرًا للمجالات الكهرومغناطيسية القوية المحيطة بالنجم النابض، يمكن تحويل بعض هذه المحاور إلى ضوء يمكن ملاحظته. أي: لو كانت المحاور موجودة - لكن الآن يمكن استخدام هذه الآلية للإجابة على هذا السؤال. ما عليك سوى إلقاء نظرة على النجوم النابضة لمعرفة ما إذا كانت تبعث ضوءًا إضافيًا، وإذا كان الأمر كذلك، فحدد ما إذا كان هذا الضوء الإضافي يأتي من المحاور.

محاكاة توهج خفية

في المجال العلمي، ليس من السهل بالتأكيد تقديم مثل هذه الملاحظة. يمكن اكتشاف الضوء المنبعث من المحاور على شكل موجات راديو، وهو جزء صغير فقط من إجمالي الضوء الذي تنبعثه هذه المنارات الكونية الساطعة إلينا. سنحتاج إلى أن نعرف بدقة شديدة كيف يبدو النجم النابض الذي لا يحتوي على أكسيونات والنجم النابض الذي يحتوي على أكسيونات حتى نتمكن من رؤية الفرق - ناهيك عن قياس الفرق وترجمته إلى مقياس لكمية المادة المظلمة.

وهذا بالضبط ما فعله الآن فريق من الفيزيائيين وعلماء الفلك. من خلال العمل معًا في هولندا والبرتغال والولايات المتحدة، قام فريق البحث ببناء إطار نظري شامل يوفر فهمًا تفصيليًا لكيفية إنشاء المحاور، وكيفية الهروب من جاذبية النجم النيوتروني، وكيفية تحويلها إلى إشعاع راديوي منخفض الطاقة أثناء عملية الهروب.

تم بعد ذلك وضع هذه النتائج النظرية على جهاز كمبيوتر لمحاكاة إنتاج المحاور حول النجوم النابضة باستخدام أحدث عمليات المحاكاة العددية للبلازما، والتي تم تطويرها في الأصل لفهم الفيزياء وراء كيفية إصدار النجوم النابضة لموجات الراديو. بمجرد توليدها فعليًا، تتم محاكاة انتشار المحاور في المجال الكهرومغناطيسي للنجم النيوتروني. سمح ذلك للباحثين بالفهم الكمي للإنتاج اللاحق لموجات الراديو ووضع نموذج لكيفية توفير هذه العملية لإشارات راديوية إضافية بالإضافة إلى الانبعاثات المتأصلة التي ينتجها النجم النابض نفسه.

اختبار النموذج المحوري

ثم تم إخضاع نتائج النظرية وعمليات المحاكاة لاختبار المراقبة الأول. باستخدام ملاحظات 27 نجمًا نابضًا قريبًا، قارن الباحثون موجات الراديو المرصودة بالنماذج لتحديد ما إذا كان أي فائض مُقاس يمكن أن يقدم دليلاً على وجود المحاور. من المؤسف أن الإجابة هي "لا" - أو على نحو أكثر تفاؤلاً "ليس بعد". لم تظهر لنا الأكسيونات على الفور، لكن ربما لم يكن هذا ما توقعناه. إذا كشفت المادة المظلمة عن أسرارها بهذه السهولة، لكان من الممكن ملاحظتها منذ فترة طويلة.

لذا لا يمكننا الآن إلا أن نأمل في العثور على محاور في الملاحظات المستقبلية. وفي الوقت نفسه، فإن حقيقة عدم ملاحظة أي إشارات راديوية من المحاور حتى الآن هي نتيجة مثيرة للاهتمام في حد ذاتها. تضع المقارنة الأولى بين النجوم النابضة المحاكية والحقيقية الحدود الأكثر صرامة حتى الآن لتفاعل المحاور مع الضوء.

وبطبيعة الحال، هدفنا النهائي ليس مجرد وضع حدود، ولكن إثبات وجود الأكسيونات، أو التأكد من أن الأكسيونات لا يمكن أن تكون أحد مكونات المادة المظلمة على الإطلاق. والنتائج الجديدة ليست سوى خطوة أولى في هذا الاتجاه؛ إنها مجرد بداية لمجال جديد متعدد التخصصات يتمتع بالقدرة على إحداث تقدم كبير في دراسة المحاور.

المراجع "Dion Noordhuis، Anirudh Prabhu، Samuel J. Witte، Alexander Y.C hen)، Fábio Cruz وChristoph Weniger، "القيود الجديدة على المحاور المنتجة في شلالات الغطاء القطبي النابض"، 15 سبتمبر 2023، "رسائل المراجعة البدنية".

دوى:10.1103/PhysRevLett.131.111004

المصدر المجمع: ScitechDaily