يفترض العلماء أن بعض النجوم الميتة المكونة من المادة الأكثر كثافة في الكون المعروف، والتي تسمى “النجوم النيوترونية”، يمكن أن تكون بمثابة مصائد لجسيمات المادة المظلمة التي تتصادم معًا بسرعات عالية وتفني بعضها البعض. وفي المقابل، يقول الطاقم، من المحتمل أن تؤدي عملية الإبادة إلى تسخين النجوم الميتة من الداخل إلى الخارج.
بشكل عام، تعتبر المادة المظلمة موضوعًا إشكاليًا للباحثين، لأنه على الرغم من أنها تشكل ما يقدر بنحو 85% من المادة الموجودة في الكون، إلا أنها غير مرئية فعليًا لأنها لا تتفاعل مع الضوء. يبدو أيضًا أن المادة المظلمة لا تتفاعل مع “المادة العادية” المكونة من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، أو إذا حدث ذلك، فإن هذه التفاعلات نادرة وضعيفة. لم نرهم قط. وهذا يثير سؤالًا مثيرًا للاهتمام: هل تتفاعل المادة المظلمة مع نفسها؟
نيكول بيل، عالمة الفيزياء النظرية في جامعة ملبورن، مهتمة بنوع التفاعل الذاتي للمادة المظلمة الذي يحدث في المادة العادية عندما يلتقي الإلكترون وجسيمه المضاد، البوزيترون، ويفنيان، وبالتالي إطلاق الطاقة. المادة المظلمة محايدة كهربائيًا، مما يعني أن أي جسيمات تشكل المادة يمكن أن يكون لها نظريًا جسيمات مضادة خاصة بها أيضًا.
وكما هو الحال مع إبادة المادة العادية، عندما تلتقي جزيئات المادة المظلمة، يجب أن يحدث إبادة المادة المظلمة، ويمكن أن تكون النجوم النيوترونية البيئة القاسية المثالية لمثل هذه التفاعلات.
متعلق ب: تشير “حلقة أينشتاين” الغريبة إلى أن المادة المظلمة الغامضة تتفاعل مع نفسها
قال بيل لموقع Space.com: “تحدث الفناء عندما يصطدم جسيم وجسيم مضاد ويدمران بعضهما البعض. وهذا ما سيحدث إذا كانت المادة المظلمة هي جسيم مضاد خاص بها، كما يُفترض غالبًا في نماذج المادة المظلمة التي تمت دراستها على نطاق واسع”. “إن التقاط وتدمير المادة المظلمة في النجوم النيوترونية من شأنه أن يوفر مصدرًا للتدفئة يمنع النجم من البرودة الشديدة.”
وهذا يعني أنه إذا كانت النجوم النيوترونية قادرة على العمل بمثابة “فخاخ للمادة المظلمة”، فيمكنها إصدار توقيع حراري. إذا أمكن اكتشاف ذلك، يمكن للنجوم النيوترونية أن تعمل بمثابة “كاشفات للمادة المظلمة” بدائية، مما سيساعد العلماء على تعقب هذا الشكل غير المرئي من المادة.
ما يلزم لاصطياد المادة المظلمة
يولد النجم النيوتروني عندما ينفد من نجم كتلته ثمانية أضعاف كتلة الشمس على الأقل إمدادات الوقود التي يحتاجها للاندماج النووي الذي يحدث في قلبه. يؤدي هذا إلى إنهاء القوة الخارجية المدفوعة بالضغط الإشعاعي الذي دعم النجم ضد القوة الداخلية لجاذبيته لملايين، أو في بعض الأحيان مليارات السنين.
ونتيجة لذلك، ينهار قلب النجم، ويرسل موجات صادمة تؤدي إلى ظهور مستعر أعظم. تضرب هذه الموجة الصدمية الطبقات الخارجية للنجم المحتضر بالإضافة إلى غالبية كتلته، تاركة وراءها نواة نجمية تتراوح كتلتها بين مرة أو مرتين كتلة الشمس التي انهارت إلى عرض حوالي 12 ميلًا (20 كيلومترًا).
إن سحق كتلة تعادل أكثر من نصف مليون كرة أرضية في جسم يمكن أن يقع داخل حدود مدينة شيكاغو بطبيعة الحال له تأثير كبير على مسألة النواة النجمية. فهو يجبر الإلكترونات والبروتونات معًا، مما يخلق بحرًا من النيوترونات، وهي جسيمات توجد بشكل طبيعي فقط في قلوب الذرات. هذا البحر من النيوترونات الذي يشكل النجم النيوتروني كثيف للغاية لدرجة أنه إذا تم إحضار ملعقة كبيرة منه إلى الأرض، فسوف تزن أكثر من مليار طن. وهو نفس وزن جبل إيفرست تقريبًا.
وبالتالي، تتكون النجوم النيوترونية من المادة الأكثر كثافة في الكون المعروف، ولهذا السبب يعتقد العلماء أن تأثيرات جاذبيتها يمكن أن تكون كبيرة بما يكفي للإيقاع بالمادة المظلمة – التي، على الرغم من افتقارها إلى التفاعل مع الضوء والمادة، تتفاعل مع الجاذبية.
يشرح بيل أنه يُعتقد أن إبادة المادة المظلمة قد حدثت بشكل متكرر عندما كان عمر الكون البالغ 13.8 مليار سنة أقل من ثانية واحدة، ولكن يُعتقد أنه نادرًا ما يحدث في الكون الحالي. الاستثناء الوحيد لهذا سيكون في المناطق التي يوجد فيها الكثير من المادة المظلمة.
وإذا كان من الممكن بالفعل أن تتراكم المادة المظلمة في الأجزاء الداخلية من النجوم النيوترونية، فقد وجد بيل وزملاؤه أن هذا سيوفر على وجه التحديد تلك البيئة الغنية بالمادة المظلمة، مما يسمح لها بالفناء في الكون القديم.
وقال بيل: “قد ينتهي بك الأمر إلى وجود الكثير من المادة المظلمة في منطقة صغيرة، وهو ما يكفي لحدوث قدر ملموس من إبادة المادة المظلمة في هذه النجوم”.
وأضاف بيل أنه في تجارب المادة المظلمة في المختبرات على الأرض، يبحث العلماء عن إشارات لتفاعل جزيئات المادة المظلمة مع المادة العادية، لكن النجوم النيوترونية تتمتع بميزة طبيعية في هذا الصدد.
وقالت: “في المختبر، نبحث عن تصادمات بين جزيئات المادة المظلمة والنواة الذرية”. “ولكن إذا كان من الممكن حدوث ذلك، فيجب أن تكون المادة المظلمة أيضًا قادرة على الاصطدام بالنيوترونات والبروتونات في النجوم النيوترونية. والنجوم النيوترونية لها كثير من النيوترونات.”
بالإضافة إلى ذلك، تفاجأت بيل عندما علمت، أثناء دراستها للنجوم النيوترونية والمادة المظلمة، أن الجاذبية الهائلة للنجوم النيوترونية يمكن أن تخلق حالة أخرى تجعل التفاعل الذاتي لجزيئات المادة المظلمة أكثر احتمالا داخل هذه النجوم الميتة.
وقال بيل: “تتسارع المادة المظلمة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء عندما تصطدم بنجم نيوتروني”. “هذا مفيد لأنه يمكن أن يعزز معدل التفاعلات، مما قد يسمح لنا باستكشاف بعض أنواع تفاعلات المادة المظلمة التي يكاد يكون من المستحيل رؤيتها في التجارب على الأرض.”
يؤدي إبادة المادة المظلمة إلى إطلاق طاقة حرارية في مصائد النجوم الميتة، لذا نظر الفريق أيضًا في المدة التي ستستغرقها النجوم النيوترونية والمادة المظلمة التي تلتقطها للوصول إلى حالة تسمى “التوازن الحراري”. هذه هي النقطة التي تصل فيها مادتان إلى نفس درجة الحرارة، ولا تتدفق الحرارة بينهما.
كشف هذا البحث أن النجم النيوتروني المشبع بالمادة المظلمة يمكن أن يصل إلى التوازن الحراري في فترة لا تزيد عن 10000 عام، أو قصيرة تصل إلى عام واحد، اعتمادًا على النموذج المستخدم. ومن الناحية الكونية، فإن هذا مجرد غمضة عين.
وللتحقق من صحة هذه النظرية، سيحتاج الباحثون إلى قياس درجة حرارة النجوم النيوترونية. إن العثور على هذه النجوم الميتة المتطرفة أكثر سخونة مما كان متوقعًا من شأنه أن يكشف عن أن جسيمات المادة المظلمة تفني بالفعل في داخلها. ومع ذلك، فإن مثل هذا الاكتشاف لن يكون بالأمر الهين، حيث أن النجوم النيوترونية الأقدم والأبرد فقط هي التي ستصدر إشعاعًا حراريًا لا يطغى عليه الضوء الآخر. وهذا يتطلب أقوى أداة رصد أطلقتها البشرية على الإطلاق إلى الفضاء: تلسكوب جيمس ويب الفضائي.
وأضاف بيل: “النجوم النيوترونية التي نهتم بها أكثر هي نجوم شديدة البرودة، يصعب رؤيتها”. “ستؤدي درجات حرارة هذه النجوم إلى انبعاث في الأشعة تحت الحمراء القريبة، وهو ما قد يكون من الممكن رؤيته باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST).”
قصص ذات الصلة
– تم اكتشاف مادة مظلمة تتدلى من الشبكة الكونية للمرة الأولى
– كيف سيبحث خليفة مصادم الهادرونات الكبير عن الكون المظلم
– قد تكون الثقوب السوداء الصغيرة التي خلفها الانفجار الكبير هي المشتبه بهم الرئيسيين في المادة المظلمة
قد يعني عدم الفهم فيما يتعلق بالنجوم النيوترونية أن نموذج الإبادة المظلمة هذا قد يكون من الأسهل اختباره باستخدام نوع البقايا النجمية التي تُترك عندما تموت النجوم الأصغر مثل الشمس: الأقزام البيضاء.
وخلص بيل إلى القول: “قد تكون النجوم النيوترونية جيدة لالتقاط المادة المظلمة بسبب كثافتها الشديدة. ولكنها أيضًا نجوم غير مفهومة نسبيًا”. “يمكن تطبيق أفكار مماثلة على النجوم الأخرى التي نفهمها بشكل أفضل، مثل النجوم القزمة البيضاء.”
إذا تبين أن النظرية صحيحة، فإنها لن تسلط الضوء على المادة المظلمة فحسب، بل ستساعد العلماء أيضًا على فهم تطور النجوم النيوترونية بشكل أفضل.
إن أبحاث بيل وزملائه، التي لم تتم مراجعتها بعد، متاحة على موقع مستودع الأوراق arXiv.