عندما تقوم بالشراء من خلال الروابط الموجودة في مقالاتنا، قد تحصل شركة Future وشركاؤها المشتركون على عمولة.
رسم توضيحي لـXRISM الذي يدرس المادة المظلمة حول مجموعة مجرية. | الائتمان: ناسا
إذا اتحللت جسيمات المادة المظلمة، فيمكن للعلماء البحث عن علامات هذه العملية، بما في ذلك الأشعة السينية أو أشعة جاما أو حتى النيوترينوات المنبعثة من “الجسيمات الشبحية”، في مجموعات واسعة من المجرات.
لا يمكن أن يكشف هذا أخيرًا عن الجسيمات الغامضة فحسب المادة المظلمةولكنها قد تساعد أيضًا علماء الفلك على فهم بنية الكون بشكل لم يسبق له مثيل. ويشير بحث جديد إلى أن مهمة التصوير بالأشعة السينية والتحليل الطيفي التابعة لناسا (XRISM) يمكن أن تلعب دورا هاما في هذا البحث.
تشكل المادة المظلمة تحديًا كبيرًا للعلماء، لأنها على الرغم من أنها تشكل حوالي 85% من المادة في الكون، إلا أنها تظل غير مرئية بشكل فعال. ويرجع ذلك إلى أنها لا تتفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي أو الضوء، أو إذا حدث ذلك، يكون التفاعل أضعف من أن يتم اكتشافه. وقد دفع هذا العلماء إلى اقتراح مجموعة كاملة من جزيئات افتراضية لحساب المادة المظلمة، التي تتجاوز النموذج القياسي فيزياء الجسيمات والإلكترونات والبروتونات والنيوترونات التي تشكل الذرات التي تشكل كل المواد اليومية، مثل النجوم والكواكب والأقمار وأجسادنا.
يشير أحد نماذج المادة المظلمة إلى أنه مهما كانت الجسيمات التي تشكل هذه المادة الغامضة، فإنها تخضع لعملية تسمى الاضمحلال. يتضمن ذلك تحلل الجسيمات الكبيرة على فترات زمنية واسعة إلى جزيئات أخف، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة على شكل فوتونات، وهي جسيمات الضوء. إحدى العلامات المحتملة لهذه العملية والتي يمكن لعلماء الفلك البحث عنها هي فوتونات الأشعة السينية التي يتم إطلاقها عند حدوث الاضمحلال. في الواقع، ربما يكون العلماء قد رصدوا بالفعل هذه البصمة الكونية على شكل انبعاث غير محدد للأشعة السينية في أطياف الضوء من عناقيد المجرات.
“خمسة وثمانون بالمائة من الكتلة مجموعات المجرة تأتي من المادة المظلمة، ويمكننا نمذجة التوزيع الشعاعي للمادة المظلمة بشكل جيد،” عضو فريق الدراسة مينغ صن، من جامعة ألاباما في هانتسفيل (UAH)، قال في بيان. “وهكذا، تعتبر العناقيد المجرية أهدافًا رائعة لمثل هذا البحث لأنها غنية بالمادة المظلمة ونحن نعرف كتلة المادة المظلمة في العناقيد جيدًا.”
في الماضي، اعتمد الباحثون على رقائق أشباه الموصلات الحساسة للضوء تسمى الأجهزة المقترنة بالشحن (CCDs) لتتبع مسارات جسيمات الاضمحلال المحتملة لفهم سبب انبعاث الأشعة السينية بشكل أفضل. ومع ذلك، اتخذ صن وزملاؤه نهجًا مختلفًا، وبدلاً من ذلك تحولوا إلى البيانات من XRISM.
تلتقي جسيمات المادة المظلمة أو “WIMPS” وتفنى لتشكل وابلًا من الجسيمات والطاقة على شكل فوتونات | الائتمان: جاو لينكينج ولين سوجي
وقال صن: “لقد استخدمت جميع الدراسات السابقة تقريبًا بيانات CCD، التي تفتقر إلى دقة الطاقة المطلوبة لحل الخط غير المحدد”. “يوفر XRISM الآن أطيافًا عالية الدقة يمكنها تحليل الخط. نظرًا لأن إشارات الخط ضعيفة جدًا، فقد قمنا بدمج ما يقرب من ثلاثة أشهر من بيانات XRISM لمثل هذا البحث. تم اكتشاف العديد من خطوط الأشعة السينية. وهي تنشأ من ذرات معروفة، مثل الحديد والسيليكون والكبريت والنيكل. خطوط انبعاث الأشعة السينية التي تظهر والتي ليست في الموضع المعروف للخطوط الذرية هي بعد ذلك مرشحة لخطوط اضمحلال المادة المظلمة، وهو محور هذا البحث. العمل.”
يفترض الفريق أن المشتبه بهم الرئيسيين في هذا الانبعاث غير المعروف هم “النيوترونات العقيمة”. النيوترينوات هي جسيمات عديمة الكتلة تقريبًا تتدفق عبر الكون عند نقطة قريبة من الكون سرعة الضوء. ثاني أكثر الجسيمات وفرة في الكون بعد الفوتونات، تصبح النيوترينوات “أشبه بالشبح” لدرجة أن 100 تريليون منها تمر عبر جسمك كل ثانية، ولا تلاحظ شيئًا أبدًا. النيوترينوات العقيمة هي إحدى الجسيمات الافتراضية التي تم اقتراحها لتكون مسؤولة عن المادة المظلمة.
وقال صن: “النيوترينو العقيم هو نوع افتراضي من النيوترينو الذي يتفاعل فقط مع الجسيمات الأخرى عن طريق الجاذبية، على عكس النيوترينوات الثلاثة المعروفة” النشطة “التي تتفاعل أيضًا عبر القوة الضعيفة”. “إن وجود النيوترينو العقيم له دوافع جيدة من الناحية النظرية ويمكن أن يفسر الكتلة الصغيرة جدًا ولكن غير الصفرية للنيوترينوات العادية. يمكن للنيوترينوات العقيمة أن تتحلل إلى فوتونين بنفس الطاقة. يمكن للنماذج التنبؤ بمعدل اضمحلال النيوترينوات العقيمة، والذي يتم بعد ذلك تقييده من البيانات.”
أمام النيوترينوات العقيمة طريق طويل قبل أن تحل محل الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) باعتبارها المشتبه بهم الرئيسيين للمادة المظلمة، لكن صن وزملاؤه ملتزمون باستكشاف مرشحين محتملين آخرين، بما في ذلك النيوترينوات العقيمة، حتى لو تضمنت هذه العملية استبعادهم.
“لا تزال الجسيمات الضخمة الضعيفة هي المرشح الرئيسي للمادة المظلمة، ولكن تم إجراء تجارب بمليارات الدولارات، فقط الحصول على حدود أعلى أقوى وأقوى، لذلك يجب النظر في سيناريوهات بديلة. توفر هذه الدراسة أقوى الحدود من بيانات الطاقة العالية الدقة على النيوترينو العقيم في نطاق 5 إلى 30 كيلو إلكترون فولت (keV)، مما يحد بالتالي من نماذج المادة المظلمة “، كما خلص الباحث في UAH. “مع المزيد من بيانات XRISM في السنوات الخمس إلى العشر القادمة أو نحو ذلك، سنكون قادرين إما على اكتشاف الخط أو تحسين الحد بشكل كبير.”
نُشر بحث الفريق في نوفمبر رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.