ربما يكون اصطدام نجمين نيوترونيين على بعد حوالي 130 مليون سنة ضوئية من الأرض، والفيزياء الفريدة التي نتجت عن هذا الاندماج، قد ألقى ضوءًا جديدًا على المادة المظلمة.
يشير بحث جديد أجراه عالم الفيزياء بوبال ديف من جامعة واشنطن إلى أن اندماج النجم النيوتروني، الذي تم اكتشافه هنا على الأرض كإشارة موجة الجاذبية GW170817، يمكن أن يساعد في وضع قيود على جسيمات افتراضية تسمى “المحورات”، وهي واحدة من المرشحين الرئيسيين للمادة المظلمة.
لم يتم اكتشاف الأكسيونات بشكل مباشر أبدًا، ولكنها تظهر في العديد من النماذج التي توسع نطاق الفيزياء إلى ما هو أبعد من ما يسمى بالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، وهو أفضل وصف حالي لدينا للجسيمات دون الذرية وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض.
متعلق ب: ماذا يحدث عندما تصطدم النجوم النيوترونية؟ قد يعرف علماء الفلك أخيرا
تمثل المادة المظلمة تحديًا كبيرًا للعلماء لأنها لا تتفاعل مع الضوء، مما يعني أنها غير مرئية فعليًا لأعيننا. تُظهِر المادة المظلمة أيضًا نقصًا واضحًا في التفاعل مع القوى الأخرى مثل القوة الكهرومغناطيسية. بشكل عام، بسبب هذه الميزات الغريبة، لا يمكن أن تتكون المادة المظلمة من الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات، وهي مكونات المادة الطبيعية التي تشكل النجوم والكواكب وأجسادنا وكل شيء حولنا على أساس يومي.
ومما يزيد من تعقيد هذا اللغز حقيقة أن الأشياء اليومية التي نعرفها والتي يتضمنها النموذج القياسي تمثل 15٪ فقط من إجمالي المادة في الكون.
وقال ديف في بيان: “لدينا سبب وجيه للشك في أن فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي قد تكون كامنة قاب قوسين أو أدنى”. “البيئات الفيزيائية الفلكية المتطرفة، مثل اندماج النجوم النيوترونية، توفر نافذة جديدة من الفرص في سعينا للحصول على جسيمات القطاع المظلم مثل الأكسيونات، والتي قد تحمل المفتاح لفهم الـ 85٪ المفقودة من كل المادة في الكون.”
هل تخفي المحاور حطام النجم النيوتروني؟
تولد النجوم النيوترونية عندما تستنفد النجوم الضخمة إمدادات الوقود اللازمة للاندماج النووي الداخلي، ولا تعود قادرة على دعم نفسها ضد الدفع الداخلي لجاذبيتها. مع انتهاء عملية التوازن الكوني هذه التي كانت موجودة منذ ملايين السنين، يتم التخلص من الطبقات الخارجية للنجم في انفجار سوبر نوفا هائل.
وهذا يترك وراءه قلبًا نجميًا منهارًا مع كتلة الشمس محشورة بعرض حوالي 12 ميلًا (20 كيلومترًا). هذا نجم نيوتروني، سُمي بهذا الاسم لأنه مليء بمادة غنية بالنيوترونات. النجوم النيوترونية كثيفة جدًا لدرجة أنه إذا تم جمع ملعقة صغيرة منها وإحضارها إلى الأرض، فإنها ستزن حوالي 10 ملايين طن. وهذا يعادل حوالي 30 مرة أثقل من مبنى إمباير ستيت.
لا توجد هذه النجوم النيوترونية دائمًا في عزلة؛ في بعض الأحيان، يدورون حول زميلهم في النجم النيوتروني. عندما تدور هذه النجوم النيوترونية حول بعضها البعض في ما يسمى بالنجم النيوتروني الثنائي، فإنها تخلق تموجات في الزمكان تسمى موجات الجاذبية. عندما تشع تموجات الزمكان هذه إلى الخارج، فإنها تحمل الزخم الزاوي بعيدًا عن الثنائي، مما يتسبب في تقارب البقايا النجمية المكونة له معًا. ويستمر هذا حتى تتولى جاذبية النجوم النيوترونية زمام الأمور وتتسبب في اصطدامها ببعضها البعض واندماجها.
ومن غير المستغرب، نظرًا للطبيعة المتطرفة للنجوم النيوترونية، أن يؤدي الاصطدام بين بقايا نجمية إلى حدوث أنواع مضطربة من الفيزياء لا يمكن رؤيتها في أي مكان آخر في الكون. في الواقع، يعتقد العلماء بالفعل أن اندماج النجوم النيوترونية هي البيئات الوحيدة العنيفة بما يكفي لتكوين عناصر أثقل من الحديد، مثل الذهب والفضة، والتي لا تستطيع حتى القلوب المغلية للنجوم الضخمة تكوينها.
وهذا ممكن لأن اصطدامات النجوم النيوترونية تقذف مادة غنية بالنيوترونات الحرة، وهي جسيمات عادة ما توجد فقط محبوسة في النوى الذرية إلى جانب البروتونات.
وبالتالي يمكن أن تبتلع النوى الذرية في المنطقة هذه النيوترونات، وهي ظاهرة تسمى “عملية الالتقاط السريع” أو “عملية r”. وينتج عن ذلك تكوين نوى ذرية ضخمة وغير مستقرة، والتي تتحلل في النهاية لتكوين عناصر أخف مثل الذهب. وينتج عن هذا الاضمحلال أيضًا ضوء يراه علماء الفلك على أنه كيلونوفا من وجهة نظرنا هنا على الأرض.
ويشكل الاندماج أيضًا بقايا كثيفة وقصيرة العمر من النجمين النيوترونيين والتي تنهار بسرعة لتشكل ثقبًا أسود.
وأوضح ديف: “تصبح البقايا أكثر سخونة من النجوم الفردية لمدة ثانية تقريبًا قبل أن تستقر في نجم نيوتروني أكبر أو ثقب أسود، اعتمادًا على الكتل الأولية”. ويعتقد ديف أن هذا يعني أن البقايا هي نقطة الإنتاج المثالية للجسيمات الغريبة مثل المحاور.
ويمكن لهذه الجسيمات الهروب من موقع اندماج النجم النيوتروني واضمحلالها إلى جسيمات أخرى، بما في ذلك الفوتونات، وهي جسيمات الضوء. يعتقد ديف وزملاؤه أن اضمحلال هذه الجسيمات الهاربة يؤدي إلى ظهور إشارة كهرومغناطيسية فريدة يمكن التقاطها بواسطة تلسكوبات أشعة جاما، مثل تلسكوب فيرمي الفضائي التابع لناسا.
قصص ذات الصلة:
– النجوم النيوترونية “المستحيلة” يمكن أن تفسر الومضات الغريبة
– كيف غمرت اصطدامات النجوم النيوترونية الأرض بالذهب والمعادن الثمينة الأخرى
– أقوى انفجار لأشعة جاما على الإطلاق يمكن أن يساعد في الكشف عن كيفية ولادة الثقوب السوداء
ويعتقد الفريق أن هذا يعني أن فيرمي وأدوات الكشف عن أشعة جاما المستقبلية يمكن أن تركز على تصادمات النجوم النيوترونية لجمع البيانات التي يمكن أن تحسن فهم العلماء للمحاور والجسيمات المماثلة.
قد يؤدي هذا في النهاية إلى اكتشاف الجسيمات التي تشكل المادة المظلمة، مما يحل أحد الأسئلة الأكثر إلحاحًا في علم الكون: مما تتكون “المادة المفقودة” في الكون؟
تم نشر بحث الفريق في 5 مارس في مجلة Physical Review Letters.