آیا ستارگان نوترونی زیر مه رازآلود اکسیون‌ها پنهان‌اند؟

کشف ذرات فوق‌العاده سبک: آکسیون‌ها و ستاره‌های نوترونی

تیمی از فیزیک‌دانان از دانشگاه‌های آمستردام، پرینستون و آکسفورد نشان داده‌اند که ذرات فوق‌العاده سبکی به نام آکسیون‌ها ممکن است در ابرهای بزرگ در اطراف ستاره‌های نوترونی وجود داشته باشند. این آکسیون‌ها می‌توانند توضیحی برای ماده تاریک مرموزی باشند که کیهان‌شناسان به دنبال آن هستند و جالب‌تر اینکه، ممکن است مشاهده آن‌ها چندان دشوار نباشد. این هفته، تحقیقات جدیدی در نشریه Physical Review X منتشر شد. این مقاله ادامه‌ای بر کارهای قبلی است که نویسندگان نیز به مطالعه آکسیون‌ها و ستاره‌های نوترونی پرداخته بودند، اما از دیدگاهی کاملاً متفاوت.

در کار قبلی، آن‌ها به بررسی آکسیون‌هایی پرداختند که از ستاره نوترونی فرار می‌کنند، اما اکنون محققان بر روی آکسیون‌هایی تمرکز کرده‌اند که درون ستاره باقی می‌مانند؛ آکسیون‌هایی که به وسیله گرانش ستاره به دام افتاده‌اند. با گذشت زمان، این ذرات باید به تدریج ابر کدر و مبهمی را در اطراف ستاره نوترونی تشکیل دهند و به نظر می‌رسد که چنین ابرهای آکسیونی ممکن است در تلسکوپ‌های ما قابل مشاهده باشند. اما چرا ستاره‌شناسان و فیزیک‌دانان باید به ابرهای کدر در اطراف ستاره‌های دوردست این‌قدر علاقه‌مند باشند؟

آکسیون‌ها: از صابون تا ماده تاریک

پروتون‌ها، نوترون‌ها، الکترون‌ها، فوتون‌ها – بیشتر ما با نام‌های حداقل برخی از این ذرات کوچک آشنا هستیم. آکسیون کمتر شناخته شده است و به دلایل خوب: در حال حاضر تنها یک نوع فرضی از ذرات است که هنوز کسی آن را شناسایی نکرده است. نام آن از یک برند صابون گرفته شده و وجود آن برای اولین بار در دهه 1970 به منظور حل یک مشکل در درک یکی از ذراتی که می‌توانیم به خوبی مشاهده کنیم، یعنی نوترون، مطرح شد. با این حال، اگرچه از نظر نظری بسیار جذاب است، اگر این آکسیون‌ها وجود داشته باشند، فوق‌العاده سبک خواهند بود و تشخیص آن‌ها در آزمایش‌ها یا مشاهدات بسیار دشوار است. امروزه، آکسیون‌ها به عنوان یکی از نامزدهای پیشرو برای توضیح ماده تاریک، یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک معاصر شناخته می‌شوند.

شواهد مختلفی نشان می‌دهد که تقریباً 85 درصد از محتوای ماده در جهان ما تاریک است، که به سادگی به این معناست که از هیچ نوع ماده‌ای که ما می‌شناسیم و می‌توانیم به‌طور فعلی مشاهده کنیم، تشکیل نشده است. در عوض، وجود ماده تاریک تنها به‌طور غیرمستقیم از طریق تأثیر گرانشی که بر ماده قابل مشاهده دارد استنباط می‌شود. خوشبختانه، این به‌طور خودکار به این معنا نیست که ماده تاریک هیچ نوع تعامل دیگری با ماده قابل مشاهده ندارد، اما اگر چنین تعاملاتی وجود داشته باشند، قدرت آن‌ها به‌طور حتم بسیار کم است. به همین دلیل، هر نامزد ماده تاریک قابل قبول به‌طور فوق‌العاده‌ای دشوار است که به‌طور مستقیم مشاهده شود. با کنار هم گذاشتن این اطلاعات، فیزیک‌دانان متوجه شده‌اند که آکسیون ممکن است دقیقاً همان چیزی باشد که برای حل مشکل ماده تاریک به دنبالش هستند؛ ذره‌ای که هنوز مشاهده نشده، فوق‌العاده سبک و دارای تعاملات بسیار ضعیف با سایر ذرات… آیا آکسیون‌ها می‌توانند حداقل بخشی از توضیح ماده تاریک باشند؟

ستاره‌های نوترونی به عنوان ذره‌بین

ایده آکسیون به عنوان یک ذره ماده تاریک جذاب است، اما در فیزیک، یک ایده تنها زمانی واقعاً جذاب است که عواقب قابل مشاهده‌ای داشته باشد. آیا پس از پنجاه سال از پیشنهاد اولیه وجود آن‌ها، راهی برای مشاهده آکسیون‌ها وجود دارد؟ هنگامی که آکسیون‌ها در معرض میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی قرار می‌گیرند، انتظار می‌رود که بتوانند به فوتون‌ها – ذرات نور – تبدیل شوند و بالعکس. نور چیزی است که ما می‌دانیم چگونه مشاهده کنیم، اما همان‌طور که ذکر شد، قدرت تعامل مربوطه باید بسیار کم باشد و بنابراین مقدار نوری که آکسیون‌ها به‌طور کلی تولید می‌کنند نیز کم است. مگر اینکه محیطی را در نظر بگیریم که حاوی مقدار بسیار زیادی از آکسیون‌ها باشد، به‌ویژه در میدان‌های الکترومغناطیسی بسیار قوی.

بررسی ستاره‌های نوترونی و ابرهای اکسون

این موضوع پژوهشگران را به بررسی ستاره‌های نوترونی، که چگال‌ترین ستاره‌های شناخته شده در جهان ما هستند، سوق داد. این اجرام دارای جرمی مشابه با خورشید ما هستند، اما در ابعادی به اندازه ۱۲ تا ۱۵ کیلومتر فشرده شده‌اند. چنین چگالی‌های شدید، محیطی به شدت افراطی ایجاد می‌کند که شامل میدان‌های مغناطیسی عظیمی است که میلیاردها برابر قوی‌تر از هر چیزی است که در زمین پیدا می‌کنیم.

تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که اگر اکسون‌ها وجود داشته باشند، این میدان‌های مغناطیسی اجازه می‌دهند تا ستاره‌های نوترونی این ذرات را در نزدیکی سطح خود به طور انبوه تولید کنند. در کار قبلی خود، نویسندگان بر روی اکسون‌هایی که پس از تولید از ستاره فرار می‌کنند، تمرکز کردند. آن‌ها مقدار تولید این اکسون‌ها، مسیرهایی که دنبال می‌کنند و چگونگی تبدیل آن‌ها به نور که می‌تواند منجر به یک سیگنال ضعیف اما قابل مشاهده شود، را محاسبه کردند.

این بار، آن‌ها به اکسون‌هایی می‌پردازند که نمی‌توانند فرار کنند؛ اکسون‌هایی که با وجود جرم بسیار کوچک خود، به دلیل گرانش عظیم ستاره نوترونی به دام می‌افتند. به دلیل تعاملات بسیار ضعیف اکسون‌ها، این ذرات در اطراف ستاره باقی می‌مانند و در مقیاس‌های زمانی تا میلیون‌ها سال، در اطراف ستاره نوترونی تجمع می‌کنند. این می‌تواند منجر به تشکیل ابرهای بسیار چگال اکسون در اطراف ستاره‌های نوترونی شود که فرصت‌های شگفت‌انگیزی برای تحقیقات اکسون فراهم می‌کند.

در مقاله خود، پژوهشگران به بررسی تشکیل، ویژگی‌ها و تکامل این ابرهای اکسون می‌پردازند و اشاره می‌کنند که این ابرها باید وجود داشته باشند و در بسیاری از موارد باید وجود داشته باشند. در واقع، نویسندگان استدلال می‌کنند که اگر اکسون‌ها وجود داشته باشند، ابرهای اکسون باید عمومی باشند (برای دامنه وسیعی از ویژگی‌های اکسون، باید در اطراف اکثر، شاید حتی تمام، ستاره‌های نوترونی تشکیل شوند) و به طور کلی باید بسیار چگال باشند (به طوری که چگالی آن‌ها ممکن است بیست مرتبه بزرگ‌تر از چگالی‌های ماده تاریک محلی باشد) و به همین دلیل باید منجر به نشانه‌های مشاهداتی قدرتمند شوند.

این نشانه‌ها می‌توانند به انواع مختلفی بیایند که نویسندگان به دو نوع آن اشاره می‌کنند: یک سیگنال پیوسته که در طول بخش‌های بزرگی از عمر یک ستاره نوترونی منتشر می‌شود و همچنین یک انفجار نور یک‌باره در پایان عمر یک ستاره نوترونی، زمانی که تولید تابش الکترومغناطیسی آن متوقف می‌شود. هر دو این نشانه‌ها می‌توانند مشاهده شوند و برای بررسی تعامل بین اکسون‌ها و فوتون‌ها فراتر از محدودیت‌های کنونی استفاده شوند، حتی با استفاده از تلسکوپ‌های رادیویی موجود.

آینده چه خواهد بود؟

در حالی که تا کنون هیچ ابر اکسونی مشاهده نشده است، با نتایج جدید، ما به طور دقیق می‌دانیم که چه چیزی را باید جستجو کنیم که جستجوی دقیق برای اکسون‌ها را بسیار ممکن‌تر می‌کند. بنابراین، نکته اصلی در لیست کارها ‘جستجوی ابرهای اکسون’ است، اما این کار همچنین چندین مسیر نظری جدید برای بررسی را باز می‌کند. به عنوان مثال، یکی از نویسندگان در حال حاضر در حال کار بر روی تحقیقاتی است که بررسی می‌کند چگونه ابرهای اکسون می‌توانند دینامیک ستاره‌های نوترونی را تغییر دهند.

یک جهت مهم دیگر تحقیق در آینده، مدل‌سازی عددی ابرهای اکسون است: مقاله حاضر پتانسیل کشف بزرگی را نشان می‌دهد، اما نیاز به مدل‌سازی عددی بیشتری وجود دارد تا دقیق‌تر بدانیم چه چیزی را باید جستجو کنیم و کجا. در نهایت، نتایج حاضر همه برای ستاره‌های نوترونی منفرد است، اما بسیاری از این ستاره‌ها به عنوان اجزای دوتایی ظاهر می‌شوند – گاهی اوقات همراه با یک ستاره نوترونی دیگر و گاهی اوقات همراه با یک سیاه‌چاله. درک فیزیک ابرهای اکسون در چنین سیستم‌هایی و درک احتمالی نشانه‌های مشاهداتی آن‌ها، بسیار ارزشمند خواهد بود.

بنابراین، کار حاضر یک گام مهم در یک جهت تحقیقاتی جدید و هیجان‌انگیز است. درک کامل ابرهای اکسون نیاز به تلاش‌های مکمل از چندین شاخه علم، از جمله فیزیک ذرات و فیزیک پلاسما و نجوم رادیویی مشاهداتی دارد. این کار این زمینه جدید و میان‌رشته‌ای را با فرصت‌های زیادی برای تحقیقات آینده باز می‌کند.