آکسیون‌ها در کمین ستاره‌های نوترونی: تاریکی جهان فاش می‌شود؟

کشف ذرات ریزنقش: آکسیون‌ها و ستاره‌های نوترونی

جمعی از فیزیکدان‌ها از دانشگاه‌های آمستردام، پرینستون و آکسفورد، به این نتیجه رسیده‌اند که احتمال داره ذرات خیلی سبکی به اسم آکسیون‌ها توی هاله‌های دورتادور ستاره‌های نوترونی وجود داشته باشن. این آکسیون‌ها، می‌تونن یه توضیح محتمل برای ماده تاریکِ رازآلود باشن که دانشمندان کیهان‌شناسی سخت دنبالشن، و از این جالب‌تر، شاید بشه راحت‌تر از اون چیزی که فکر می‌کنیم، پیداشون کرد. این هفته، یه تحقیق جدید توی مجلهٔ Physical Review X چاپ شد. این مقاله، در واقع ادامه‌ای بر کارهای قبلیه که نویسنده‌ها همون موقع هم دربارهٔ آکسیون‌ها و ستاره‌های نوترونی مطالعه می‌کردن، اما این بار از یه زاویهٔ کاملاً متفاوت به قضیه نگاه کردن.

در پژوهش‌های قبلی، تمرکز روی آکسیون‌هایی بود که از ستارهٔ نوترونی فرار می‌کنن، اما حالا محقق‌ها توجه‌شون رو معطوف کردن به آکسیون‌هایی که توی ستاره می‌مونن؛ آکسیون‌هایی که توسط جاذبهٔ ستاره به دام افتادن. با گذشت زمان، این ذرات باید کم‌کم یه ابرِ کدر و نامعلوم دور و بر ستارهٔ نوترونی بسازن و به نظر می‌رسه این ابرهای آکسیونی، توی تلسکوپ‌های ما قابل دیدن باشن. اما چرا باید اینقدر برای ستاره‌شناس‌ها و فیزیکدان‌ها مهم باشه که ابرهای کدر رو اطراف ستاره‌های دوردست ببینند؟

آکسیون‌ها: از یه جور صابون تا مادهٔ تاریک

پروتون‌ها، نوترون‌ها، الکترون‌ها، فوتون‌ها – اسم حداقل بعضی از این ذرات ریزه میزه رو تقریباً همه شنیدیم. آکسیون کمتر شناخته شده است، و دلیلش هم واضحه: فعلاً فقط یه ذرهٔ فرضیه، یعنی هنوز هیچ‌کس نتونسته پیداش کنه. اسمش رو از یه برند صابون گرفتن، و اولین بار در دههٔ 1970 برای حل یه مسئله در درک یکی از ذراتی که خیلی خوب می‌شناسیم، یعنی نوترون، مطرح شد. با این حال، گرچه از نظر تئوری خیلی جذابه، اگه این آکسیون‌ها واقعاً وجود داشته باشن، فوق‌العاده سبک‌وزن هستن و تشخیصشون توی آزمایشگاه یا با مشاهدات، خیلی سخته. امروزه، آکسیون‌ها به عنوان یکی از کاندیداهای اصلی برای توضیح مادهٔ تاریک، یعنی یکی از بزرگ‌ترین رازهای فیزیکِ امروزی، شناخته می‌شن.

شواهد زیادی نشون می‌ده که تقریباً 85 درصد از کل مادهٔ موجود در جهان ما تاریکه، یعنی از هیچ‌کدام از انواع موادی که ما می‌شناسیم و الان می‌تونیم ببینیم، تشکیل نشده. در عوض، وجود مادهٔ تاریک فقط به‌طور غیرمستقیم و از طریق تأثیر گرانشی که بر مادهٔ قابل مشاهده داره، فهمیده می‌شه. خوشبختانه، این به این معنی نیست که مادهٔ تاریک هیچ نوع ارتباط دیگه‌ای با مادهٔ قابل مشاهده نداره، اما اگه چنین ارتباطی باشه، قدرتش قطعاً خیلی کمه. به همین دلیل هم، هر نوع کاندیدا برای مادهٔ تاریک، خیلی سخته که مستقیماً قابل رویت باشه. با کنار هم گذاشتن این اطلاعات، فیزیکدان‌ها فهمیدن که آکسیون ممکنه دقیقاً همون چیزی باشه که برای حل مشکل مادهٔ تاریک دنبالش می‌گردن؛ یه ذره که هنوز دیده نشده، فوق‌العاده سبکه، و تعاملات خیلی ضعیفی با بقیهٔ ذرات داره… آیا آکسیون‌ها می‌تونن حداقل بخشی از توضیحات دربارهٔ مادهٔ تاریک باشن؟

ستاره‌های نوترونی به عنوان یه ذره‌بین قوی

ایدهٔ آکسیون به عنوان یه ذرهٔ مادهٔ تاریک خیلی قشنگه، اما در فیزیک، یه ایده فقط وقتی واقعاً جذاب می‌شه که پیامدهای قابل مشاهده‌ای داشته باشه. آیا بعد از پنجاه سال از زمانی که برای اولین بار وجودشون پیشنهاد شد، راهی هست که بتونیم آکسیون‌ها رو ببینیم؟ انتظار می‌ره وقتی آکسیون‌ها در معرض میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی قرار می‌گیرن، بتونن به فوتون‌ها – ذرات نور – تبدیل بشن، و برعکسش هم درسته. نور چیزیه که می‌دونیم چطوری باید ببینیمش، اما همون‌طور که گفتیم، قدرت این تعامل باید خیلی کم باشه و بنابراین مقدار نوری که آکسیون‌ها به‌طور کلی تولید می‌کنن هم کم می‌شه. مگر اینکه محیطی رو در نظر بگیریم که توش مقدار خیلی زیادی آکسیون باشه، به‌خصوص در میدان‌های الکترومغناطیسی خیلی قوی.

بررسی ستاره‌های نوترونی و ابرهای آکسیونی

همین موضوع باعث شد محقق‌ها برن سراغ بررسی ستاره‌های نوترونی که متراکم‌ترین ستاره‌هایی هستن که توی جهان می‌شناسیم. این اجرام، جرمی تقریباً برابر جرم خورشید دارن، اما توی فضایی به اندازهٔ 12 تا 15 کیلومتر فشرده شدن. این چگالی‌های شدید، محیطی به شدت استثنایی ایجاد می‌کنه که شامل میدان‌های مغناطیسی عظیمی هست که میلیاردها برابر قوی‌تر از هرچیزیه که روی زمین می‌بینیم.

تحقیقات جدید نشون داده اگه آکسیون‌ها وجود داشته باشن، این میدان‌های مغناطیسی اجازه می‌دن که ستاره‌های نوترونی این ذرات رو در نزدیکی سطح‌شون، به مقدار زیادی تولید کنن. توی کار قبلی‌شون، نویسنده‌ها روی آکسیون‌هایی تمرکز کرده بودن که بعد از تولید، از ستاره فرار می‌کنن. اونا مقدار تولید این آکسیون‌ها، مسیرهایی که طی می‌کنن، و چطوری به نور تبدیل می‌شن که می‌تونه یه سیگنال ضعیف اما قابل مشاهده ایجاد کنه رو محاسبه کردن.

این بار، اونا دارن به آکسیون‌هایی می‌پردازن که نمی‌تونن فرار کنن؛ آکسیون‌هایی که با وجود جرم خیلی کمی که دارن، به خاطر جاذبهٔ شدید ستارهٔ نوترونی به دام می‌افتند. به دلیل تعاملات خیلی ضعیف آکسیون‌ها، این ذرات دور و بر ستاره می‌مونن و در بازه‌های زمانی تا میلیون‌ها سال، دور و بر ستارهٔ نوترونی جمع می‌شن. این می‌تونه منجر به تشکیل ابرهای خیلی چگال آکسیونی دور و ور ستاره‌های نوترونی بشه که فرصت‌های شگفت‌انگیزی برای تحقیقات آکسیون‌ها فراهم می‌کنه.

پژوهشگرها توی مقالهٔ خودشون به بررسی چگونگی تشکیل، ویژگی‌ها و تکامل این ابرهای آکسیونی می‌پردازن و اشاره می‌کنن که این ابرها باید وجود داشته باشن و در خیلی از موارد باید وجود داشته باشن. در واقع، نویسنده‌ها استدلال می‌کنن که اگه آکسیون‌ها وجود داشته باشن، ابرهای آکسیونی باید عمومی باشن (برای گسترهٔ وسیعی از ویژگی‌های آکسیون، باید دور و بر اکثر، شاید حتی تمام، ستاره‌های نوترونی تشکیل بشن) و به‌طور کلی باید خیلی متراکم باشن (جوری که چگالیشون ممکنه بیست مرتبه بزرگ‌تر از چگالی‌های مادهٔ تاریکِ محلی باشه) و به همین دلیل هم باید منجر به نشونه‌های رصدی قوی بشن.

این نشانه‌ها می‌تونن به شکل‌های مختلفی ظاهر بشن که نویسنده‌ها به دو نوعش اشاره می‌کنن: یه سیگنال پیوسته که در طول بخش‌های بزرگی از عمر یه ستارهٔ نوترونی منتشر می‌شه و همچنین یه انفجار نور یهویی در آخر عمر یه ستارهٔ نوترونی، وقتی که تولید تابش الکترومغناطیسی اون متوقف می‌شه. هر دوی این نشانه‌ها، قابل مشاهده هستن و میشه ازشون برای بررسی تعامل بین آکسیون‌ها و فوتون‌ها فراتر از محدودیت‌های الان استفاده کرد، حتی با استفاده از تلسکوپ‌های رادیویی موجود.

آینده چی میشه؟

در حالی که تا الان هیچ ابر آکسیونی دیده نشده، اما با نتایج جدید، ما دقیقاً می‌دونیم که باید دنبال چی بگردیم، که این باعث می‌شه جستجوی دقیق برای آکسیون‌ها خیلی محتمل‌تر بشه. بنابراین، مهم‌ترین کار در لیست کارها، «جستجوی ابرهای آکسیونی» هست، اما این کار همچنین چندین مسیر تئوری جدید برای بررسی رو هم باز می‌کنه. به عنوان مثال، یکی از نویسنده‌ها در حال حاضر داره روی تحقیقاتی کار می‌کنه که بررسی می‌کنه چطور ابرهای آکسیونی می‌تونن دینامیک ستاره‌های نوترونی رو تغییر بدن.

یه مسیر مهم دیگه برای تحقیق در آینده، مدل‌سازی عددی ابرهای آکسیونی هست: مقالهٔ حاضر پتانسیل یه کشف بزرگ رو نشون می‌ده، اما نیاز به مدل‌سازی عددی بیشتری هست تا دقیق‌تر بدونیم باید دنبال چی بگردیم و کجا. در نهایت، نتایج حاضر همه برای ستاره‌های نوترونی تکی هستن، اما خیلی از این ستاره‌ها به عنوان اجزای دو تایی ظاهر می‌شن – بعضی وقتا همراه با یه ستارهٔ نوترونی دیگه و بعضی وقتا همراه با یه سیاه‌چاله. درک فیزیک ابرهای آکسیونی توی این سیستم‌ها و این احتمال که بشه نشانه‌های رصدی‌شون رو فهمید، خیلی باارزشه.

بنابراین، این کار فعلی یه گام مهم در یه جهت تحقیقاتی جدید و هیجان‌انگیزه. درک کامل ابرهای آکسیونی نیاز داره به تلاش‌های تکمیلی از چند شاخهٔ علم، از جمله فیزیک ذرات و فیزیک پلاسما و نجوم رادیویی رصدی. این کار این زمینهٔ جدید و میان‌رشته‌ای رو با فرصت‌های زیادی برای تحقیقات آینده باز می‌کنه.