يمكن للنجوم الميتة داخل انفجارات المستعرات الأعظم أن تحل لغز المادة المظلمة في 10 ثوانٍ

عندما تقوم بالشراء من خلال الروابط الموجودة في مقالاتنا، قد تحصل شركة Future وشركاؤها المشتركون على عمولة.

يمكن لأشعة جاما المنبعثة من النجوم النيوترونية في قلب انفجارات المستعرات الأعظم أن تحل لغز المادة المظلمة في 10 ثوانٍ فقط. أي إذا كانت المادة المظلمة مكونة من محاور عصبية، وهي جسيمات افتراضية خفيفة الوزن تعتبر حاليًا المرشح الرئيسي للمادة المظلمة.

يعتقد فريق جامعة كاليفورنيا في بيركلي الذي يقف وراء هذه النظرية أنه إذا كانت هذه النظرية صحيحة، فإن انفجار مستعر أعظم بالقرب من الأرض سيسمح لنا باكتشاف انبعاثاته من الضوء عالي الطاقة، وتأكيد كتلة المحاور، وبالتالي إنهاء لغز المادة المظلمة بالكامل .

يجب أن يأتي انفجار المستعر الأعظم المطلوب من نجم ضخم يموت وينفجر إما داخل مجرة ​​درب التبانة أو إحدى المجرات التابعة لها، مثل سحابة ماجلان الكبرى. تحدث هذه الأنواع من الأحداث كل بضعة عقود، في المتوسط، مع انفجار المستعر الأعظم القريب الأخير، والمسمى بالمستعر الأعظم 1987A، داخل سحابة ماجلان الكبرى في عام 1987.

إذا كان الباحثون على حق، فإن البحث عن المادة المظلمة، الذي أزعج علماء الفلك لعقود من الزمن، يمكن حله في المستقبل القريب جدًا مع قليل من الحظ الجيد.

سيتطلب اكتشاف أشعة جاما الواضحة تلسكوب أشعة جاما الفضائي الوحيد للبشرية، وهو تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الفضائي، للإشارة إلى اتجاه المستعر الأعظم القريب عندما ينفجر. عند الأخذ في الاعتبار مجال رؤية فيرمي، فإن احتمال حدوث ذلك هو 1 من 10.

يعتقد الفريق أن اكتشافًا واحدًا لأشعة جاما من نجم نيوتروني في مركز حطام المستعر الأعظم سيكون كافيًا لتحديد كتلة الأكسيون من مجموعة واسعة من الكتل النظرية المقترحة حاليًا لهذه الجسيمات الافتراضية. يهتم الفريق بشكل خاص باكتشاف نوع من المحاور يسمى محور QCD. على عكس المحاور المفترضة الأخرى، تعتمد كتلة المحور QCD على درجة الحرارة.

“إذا رأينا مستعرًا أعظم، مثل المستعر الأعظم 1987A، باستخدام تلسكوب أشعة جاما حديث، فسنكون قادرين على اكتشاف أو استبعاد محور QCD هذا،” كما يقول بنجامين سافدي، المؤلف الرئيسي للبحث وأستاذ الفيزياء المشارك في جامعة كاليفورنيا. وقالت كاليفورنيا بيركلي في بيان. “وسيحدث كل ذلك في غضون 10 ثوانٍ.”

لماذا أشعة جاما؟

تشكل المادة المظلمة مشكلة مقلقة للعلماء لأنها تتفوق على جزيئات “المادة اليومية” في الكون بنسبة 5 إلى 1. وهذا أمر مهم لأن كل نجم وسحابة غبار كونية وقمر وكويكب وكوكب وإنسان وحيوان وكل جماد الذي يملأ حياتنا يتكون من مادة يومية.

تعتبر المادة المظلمة أيضًا صعبة لأنها لا تتفاعل مع الضوء، أو إذا حدث ذلك، فإن هذا التفاعل ضعيف جدًا لدرجة أننا لا نستطيع رؤيته. وهذا يجعل المادة المظلمة غير مرئية بشكل فعال. مع استمرار البحث عن الجسيمات التي يمكن أن تشكل المادة المظلمة، ظهرت المحاور كمرشحين رئيسيين.

وهذا مفيد لأن هذه الجسيمات لا تتناسب بشكل جيد مع النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات؛ كما أنها تمثل أسرارًا أخرى. على سبيل المثال، يمكن أن تكون المفتاح لتوحيد نظرية ألبرت أينشتاين حول الجاذبية، والنسبية العامة، وفيزياء الكم.

وأوضح صفيدي: “يبدو من المستحيل تقريبًا أن يكون لدينا نظرية ثابتة للجاذبية مقترنة بميكانيكا الكم التي لا تحتوي على جسيمات مثل الأكسيون”.

في حين أن العديد من التجارب الأرضية بحثت في حديقة الجسيمات للتأكد من وجود المحاور، فقد حول العديد من العلماء انتباههم إلى النجوم الأكثر تطرفًا في الكون، وهي النجوم النيوترونية، مما يشير إلى أنها يمكن أن تؤوي هذه الجسيمات الافتراضية.

تولد النجوم النيوترونية عندما ينفد الوقود اللازم للاندماج النووي في قلوب النجوم الضخمة، ويتوقف ضغط الإشعاع الخارجي الذي كانت تولده منذ مليارات السنين. وهذا يعني أن هذه النجوم لم تعد قادرة على دعم نفسها ضد الدفع الداخلي لجاذبيتها.

ومع انهيار مراكزها بسرعة، تنطلق موجات الصدمة إلى الطبقات العليا من هذه النجوم الضخمة، مما يؤدي إلى ظهور مستعرات عظمى تطيح بمعظم كتل النجوم. والنتيجة هي نجوم نيوترونية ذات كتل تتراوح بين مرة أو مرتين كتلة الشمس وعرضها حوالي 12 ميلاً (20 كيلومترًا).

اقترح العلماء البحث عن المحاور التي تم إنشاؤها داخل النجوم النيوترونية مباشرة بعد حدوث المستعر الأعظم الذي ينهار في قلب النجوم. ركز هذا الجهد في الغالب على المحاور التي تنتج ببطء الفوتونات (الجسيمات الأساسية للضوء) لأشعة جاما عندما تواجه الجسيمات المجالات المغناطيسية حول المجرات.

افترض صفدي وزملاؤه أن هذه العملية لن تكون فعالة جدًا في إنتاج أشعة جاما، على الأقل ليس بأحجام كافية لاكتشافها من الأرض. لذلك حولوا تركيزهم إلى عملية كونية مماثلة، ولكن هذه المرة تحدث في المجالات المغناطيسية القوية التي تحيط بالنجوم النيوترونية نفسها. ووجدوا أن هذه المنطقة قد تحفز بكفاءة انفجارًا من أشعة جاما يتوافق مع كتلة المحاور ويتزامن مع انفجار “جسيمات شبحية” أو نيوترينوات من قلب النجم النيوتروني المعني.

سيستمر هذا الانفجار من المحاور لمدة 10 ثوانٍ فقط بعد تكوين النجم النيوتروني، مع انخفاض معدل إنتاج هذه الجسيمات الافتراضية بشكل كبير قبل ساعات من انفجار الطبقات الخارجية للنجم.

وقال صفدي: “لقد دفعنا هذا حقًا إلى التفكير في النجوم النيوترونية كأهداف مثالية للبحث عن الأكسيونات كمختبرات أكسيون”. “النجوم النيوترونية لديها الكثير من الأشياء التي تسير لصالحها. إنها أجسام ساخنة للغاية. كما أنها تستضيف مجالات مغناطيسية قوية جدًا. توجد أقوى المجالات المغناطيسية في كوننا حول النجوم النيوترونية، مثل النجوم المغناطيسية، التي لديها مجالات مغناطيسية تبلغ عشرات المليارات. أقوى بكثير من أي شيء يمكننا بناءه في المختبر، وهذا يساعد على تحويل هذه المحاور إلى إشارات يمكن ملاحظتها.”

باتباع هذا الخط من البحث، ومع الأخذ في الاعتبار المعدل الذي تبرد به النجوم النيوترونية أثناء إنتاجها للمحاور والنيوترينوات، قرر صفدي وزملاؤه أن الكتلة العليا لمحور QCD من المحتمل أن تكون أصغر بـ 32 مرة من كتلة الإلكترون.

في هذا العمل الجديد، وصف الفريق إنتاج أشعة جاما بعد انهيار المستعر الأعظم الذي أدى إلى تكوين نجم نيوتروني، وأخذ في الاعتبار أهمية حقيقة أن فيرمي لم يكتشف أشعة جاما عندما انفجر المستعر الأعظم 1987A. قاد هذا الباحثين إلى استنتاج أن اكتشاف أشعة جاما من مثل هذا الحدث المتفجر سيمكنهم من اكتشاف محور QCD إذا كانت كتلته أكبر من 10 مليار من كتلة الإلكترون. ويجادلون بأن اكتشافًا واحدًا سيكون كافيًا لإعادة تركيز البحث عن المحاور والمساعدة في تأكيد كتلتها.

وقال صفدي: “إن أفضل سيناريو بالنسبة للأكسيونات هو أن يلتقط فيرمي مستعرًا أعظم. لكن فرصة حدوث ذلك ضئيلة”. “ولكن إذا رآه فيرمي، فسنكون قادرين على قياس كتلته. وسنكون قادرين على قياس قوة تفاعله. وسنكون قادرين على تحديد كل ما نحتاج إلى معرفته حول الأكسيون، وسنكون قادرين على ذلك بشكل لا يصدق واثق من الإشارة لأنه لا توجد مادة عادية يمكن أن تخلق مثل هذا الحدث.”

قصص ذات صلة:

– هناك شيء “مريب” يحدث مع هالة المادة المظلمة في درب التبانة

– كيف سيبحث خليفة مصادم الهادرونات الكبير عن الكون المظلم

– قد تعيش المادة المظلمة في ضباب كثيف حول الجثث النجمية

يدرك الفريق أن هناك خطر فقدان أشعة جاما الناتجة عن المحاور الناتجة عن انفجار المستعر الأعظم التالي الذي طال انتظاره بالقرب من درب التبانة.

ولتجنب هذه النتيجة، يعمل الفريق مع علماء بناء تلسكوب أشعة جاما لتحديد مدى إمكانية مراقبة السماء بنسبة 100% على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. وهذا من شأنه أن يضمن اكتشاف أي أشعة جاما تفلت من المستعر الأعظم. اقترح الباحثون تسمية كوكبة الأقمار الصناعية لأشعة جاما في السماء الكاملة بأداة المجرة المحورية للمستعرات الأعظم (GALAXIS).

وقال صفدي: “أعتقد أننا جميعًا في هذه الورقة متوترون بشأن احتمال حدوث مستعر أعظم قادم قبل أن يكون لدينا الأجهزة المناسبة”. “سيكون من العار الحقيقي إذا انفجر مستعر أعظم غدًا وأضاعنا فرصة اكتشاف الأكسيون – فقد لا يعود مرة أخرى لمدة 50 عامًا أخرى.”

نُشر بحث الفريق في 19 نوفمبر في مجلة Physical Review Letters.