کاوش در تاریکی جهان: دریچه‌ای به سوی کشف
شاید همین فردا، زمانی که یه ابرنواختر در همین نزدیکی‌ها منفجر بشه و البته کمی هم شانس داشته باشیم، بتونیم به جواب سؤال بزرگی برسیم: ماده تاریک چیه؟ حدود ۹۰ سال هست که ستاره‌شناسا با این معما دست‌و‌پنجه نرم می‌کنن. از زمانی که فهمیدن ۸۵ درصد از مواد موجود در جهان، با تلسکوپ‌های امروزی قابل دیدن نیست. توی این مدت، محتمل‌ترین گزینه برای ماده تاریک، ذره‌ای به اسم آکسیون شناخته شده؛ یه ذره سبک که محقق‌ها در سراسر دنیا سخت دارن دنبالش می‌گردن.
دانشمندای دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، الان معتقدن که آکسیون‌ها رو میشه توی چند ثانیه بعد از انفجار یه ابرنواختر نزدیک، با بررسی پرتوهای گامای ساطع شده، پیدا کرد. اگه آکسیون‌ها وجود داشته باشن، مقدار زیادی ازشون در ۱۰ ثانیه اول بعد از فروپاشی هسته یه ستاره بزرگ و تبدیلش به ستاره نوترونی تولید می‌شن. بعد، این آکسیون‌ها از هسته ستاره فرار می‌کنن و توی میدان مغناطیسی قوی ستاره، به پرتوهای گامای پرانرژی تبدیل می‌شن.
البته، شنیدن این خبر خوب، یه شرط داره: تلسکوپ گامای که توی مداره، یعنی تلسکوپ فضایی فرمی، باید موقع انفجار ابرنواختر، به سمت اون جهت‌گیری کنه. با توجه به زاویه دید این تلسکوپ، احتمال این اتفاق حدود یک در ده هست. با این حال، اگه پرتوهای گاما شناسایی بشن، میشه جرم آکسیون، به‌خصوص آکسیون QCD رو، توی یه محدوده وسیع از جرم‌های تئوری مشخص کرد؛ از جمله جرم‌هایی که دارن با آزمایش‌های زمینی بررسی می‌شن. ولی اگه شناسایی صورت نگیره، باز هم یه دامنه از جرم‌های احتمالی برای آکسیون حذف میشه و این باعث میشه بسیاری از تحقیقات فعلی در مورد ماده تاریک، بی‌فایده به نظر برسن.
مشکل اینه که برای اینکه پرتوهای گاما اونقدر روشن باشن که بشه پیداشون کرد، ابرنواختر باید به ما نزدیک باشه؛ توی کهکشان راه شیری یا یکی از کهکشان‌های اقماریش. به طور متوسط، ستاره‌های نزدیک، هر چند دهه یه بار منفجر می‌شن. آخرین ابرنواختر نزدیک ما، توی سال ۱۹۸۷ توی ابر ماژلانی بزرگ، یکی از قمرهای راه شیری، اتفاق افتاد. اون موقع یه تلسکوپ گاما که الان دیگه کار نمی‌کنه به اسم ماموریت حداکثر خورشیدی جهت‌گیریش به سمت اون ابرنواختر بود، اما طبق تحلیل‌های تیم دانشگاه برکلی، حساسیتش کافی نبود که بتونه شدت پرتوهای گامای پیش‌بینی شده رو شناسایی کنه.
بنجامین سافدی، استاد فیزیک دانشگاه برکلی و نویسنده ارشد مقاله‌ای که ۱۹ نوامبر توی مجله Physical Review Letters منتشر شد، می‌گه: “اگه ما ابرنواخترهایی مثل ابرنواختر ۱۹۸۷A رو با یه تلسکوپ گامای مدرن ببینیم، می‌تونیم آکسیون QCD رو، که خیلی جذابه، توی بیشتر فضای پارامتریکش شناسایی یا رد کنیم— تقریبن کل فضای پارامتریک که نمی‌شه توی آزمایشگاه بررسی کرد و خیلی از فضای پارامتریکی که میشه توی آزمایشگاه بررسی کرد.” اون اضافه می‌کنه: “و همه‌ی اینا، توی ده ثانیه اتفاق می‌افته.”
اما محقق‌ها نگران هستن که اگه روزی ابرنواختری که مدت‌ها منتظرش بودیم، توی جهان نزدیک منفجر بشه، ما برای دیدن پرتوهای گامای تولید شده توسط آکسیون‌ها آماده نباشیم. دانشمندا الان با همکارایی که تلسکوپ‌های گاما می‌سازن در حال گفتگو هستن تا بتونن یه یا چند تلسکوپ از این نوع رو راه‌اندازی کنن تا ۱۰۰ درصد از آسمون رو، ۲۴ ساعته و ۷ روز هفته پوشش بدن و مطمئن بشن که هر انفجار پرتو گامایی رو شناسایی می‌کنن. حتی یه اسم هم برای این مجموعه ماهواره‌ای گاما، که کل آسمون رو پوشش می‌ده، انتخاب کردن: ابزار آکسیون کهکشانی برای ابرنواخترها، یا GALAXIS.
سافدی می‌گه: “من فکر می‌کنم هممون توی این مقاله، نگرانیم که یه ابرنواختر قبل از اینکه تجهیزات مناسب رو داشته باشیم، منفجر بشه. اگه فردا یه ابرنواختر منفجر بشه و ما فرصت شناسایی آکسیون رو از دست بدیم، واقعاً حیف میشه— شاید ۵۰ سال دیگه دوباره این شانس پیش نیاد.”
آکسیون‌های QCD
در ابتدا، جستجو برای ماده تاریک روی اجسام هاله‌ای فشرده و کم‌نور (MACHOs) متمرکز بود که تئوری‌پردازا معتقد بودن توی کل کهکشان و جهان پراکنده شدن، ولی وقتی نتایج اون خوب نبود، فیزیک‌دانا شروع کردن به جستجوی ذرات بنیادی که از نظر تئوری، اطراف ما وجود دارن و باید توی آزمایشگاه‌های زمینی قابل شناسایی باشن. این ذرات، که با تعامل ضعیف (WIMPs) هم شناخته می‌شدن، هم شناسایی نشدن. در حال حاضر، بهترین گزینه برای ماده تاریک، آکسیونه؛ ذره‌ای که به خوبی توی مدل استاندارد فیزیک جا می‌گیره و می‌تونه چند تا از معماهای دیگه فیزیک ذرات رو هم حل کنه.
آکسیون‌ها و نظریه‌های بنیادی کیهان
آکسیون‌ها از نظریه ریسمان‌ها، که یه فرضیه در مورد هندسه زیربنایی جهان هست، خیلی خوب به دست اومدن و شاید بتونن گرانش رو، که تعاملات توی مقیاس‌های کیهانی رو توضیح می‌ده، با نظریه مکانیک کوانتومی، که به توصیف مقیاس‌های خیلی کوچیک می‌پردازه، با هم ترکیب کنن. سافدی می‌گه: “به نظر می‌رسه تئوری منسجمی از گرانش که با مکانیک کوانتومی ترکیب شده باشه، تقریباً غیرممکنه وجود داشته باشه و در عین حال، ذراتی مثل آکسیون، وجود نداشته باشن.”
قوی‌ترین کاندید برای آکسیون، که بهش آکسیون QCD می‌گن (اسم‌گذاری شده بر اساس نظریه حاکم بر نیروی قوی، کرومودینامیک کوانتومی)، از نظر تئوری، با همه‌ی مواد، هرچند به‌طور ضعیف، از طریق چهار نیروی طبیعت تعامل می‌کنه: گرانش، الکترومغناطیس، نیروی قوی که اتم‌ها رو کنار هم نگه می‌داره و نیروی ضعیف که تجزیه اتم‌ها رو توضیح می‌ده. یکی از پیامدهای این تعامل اینه که توی یه میدان مغناطیسی قوی، آکسیون باید گاهی به یه موج الکترومغناطیسی یا فوتون تبدیل بشه.
آکسیون با ذره سبک دیگه، نوترینو که فقط از طریق گرانش و نیروی ضعیف تعامل می‌کنه و کاملاً نیروی الکترومغناطیسی رو نادیده می‌گیره، تفاوت زیادی داره. آزمایش‌های آزمایشگاهی مثل کنسرسیوم ALPHA (آکسیون پلاسمای طولی هالوسکوپ)، DMradio و ABRACADABRA، که همشون شامل محققای دانشگاه کالیفرنیا، برکلی هستن، از حفره‌های فشرده‌ای استفاده می‌کنن که مثل یه چنگال کوک، با میدان الکترومغناطیسی ضعیف یا فوتونی که موقع تبدیل آکسیون با جرم کم در حضور یه میدان مغناطیسی قوی تولید میشه، هم‌راستا و تقویت می‌شن.
علاوه بر این، ستاره‌شناسا پیشنهاد دادن که دنبال آکسیون‌هایی باشن که توی ستاره‌های نوترونی، بلافاصله بعد از یه ابرنواختر، با فروپاشی هسته‌ای مثل ابرنواختر 1987A تولید می‌شن. با این حال، تا حالا، اونا بیشتر روی شناسایی پرتوهای گاما از تبدیل آهسته این آکسیون‌ها به فوتون‌ها توی میدان‌های مغناطیسی کهکشان‌ها تمرکز داشتن. سافدی و همکاراش متوجه شدن که این فرآیند، توی تولید پرتوهای گاما اونقدر کارآمد نیست، یا حداقل به اندازه‌ای نیست که از روی زمین بشه شناساییش کرد. به جاش، اونا تولید پرتوهای گاما توسط آکسیون‌ها توی میدان‌های مغناطیسی قوی اطراف همون ستاره‌ای که آکسیون‌ها رو تولید کرده، بررسی کردن. شبیه‌سازی‌های ابررایانه نشون داد که این فرآیند، خیلی خوب یه انفجار پرتو گاما تولید می‌کنه که به جرم آکسیون بستگی داره و این انفجار باید همزمان با انفجار نوترینوها از داخل ستاره نوترونی داغ اتفاق بیفته.
ولی، این انفجار آکسیون‌ها فقط ۱۰ ثانیه بعد از شکل‌گیری ستاره نوترونی طول می‌کشه و بعدش، نرخ تولید به‌شدت کم میشه، البته ساعت‌ها قبل از اینکه لایه‌های بیرونی ستاره منفجر بشن. سافدی می‌گه: “این واقعاً ما رو به این فکر انداخت که ستاره‌های نوترونی، به‌عنوان اهداف ایده‌آل برای جستجوی آکسیون‌ها، مثل آزمایشگاه‌های آکسیون هستن.” اون اضافه می‌کنه: “ستاره‌های نوترونی مزایای زیادی دارن. اونا اجسام خیلی داغی هستن و همچنین میدان‌های مغناطیسی خیلی قوی‌ای دارن. قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی توی جهان ما، اطراف ستاره‌های نوترونی مثل مگنتارها وجود دارن که میدان‌های مغناطیسیشون ده‌ها میلیارد بار قوی‌تر از هر چیزیه که می‌تونیم توی آزمایشگاه بسازیم. این به تبدیل آکسیون‌ها به سیگنال‌های قابل مشاهده کمک می‌کنه.”
دو سال پیش، سافدی و همکاراش، بهترین حد بالایی برای جرم آکسیون QCD رو حدود ۱۶ میلیون الکترون ولت، یا حدود ۳۲ برابر کمتر از جرم الکترون تعیین کردن. این بر اساس نرخ سرد شدن ستاره‌های نوترونی بود، که اگه آکسیون‌ها به همراه نوترینوها توی این اجسام داغ و فشرده تولید می‌شدن، سریع‌تر سرد می‌شدن. توی مقاله فعلی، تیم دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، نه‌تنها تولید پرتوهای گاما بعد از فروپاشی هسته‌ای به یه ستاره نوترونی رو توضیح می‌ده، بلکه از عدم شناسایی پرتوهای گاما از ابرنواختر 1987A برای تعیین بهترین محدودیت‌ها روی جرم ذرات مشابه آکسیون استفاده می‌کنه، که با آکسیون‌های QCD فرق دارن چون از طریق نیروی قوی تعامل ندارن. اونا پیش‌بینی می‌کنن که شناسایی پرتو گاما، این امکان رو بهشون می‌ده که جرم آکسیون QCD رو شناسایی کنن، اگه بالای ۵۰ میکرو الکترون ولت (میکرو-eV یا μeV) باشه، یا حدود یه ده‌میلیاردم جرم الکترون. سافدی می‌گه: یه شناسایی واحد می‌تونه آزمایش‌های موجود رو دوباره متمرکز کنه تا جرم آکسیون تأیید بشه.
در حالی که یه ناوگان از تلسکوپ‌های پرتو گاما، بهترین گزینه برای شناسایی پرتوهای گاما از یه ابرنواختر نزدیکه، شانس خوش‌شانسی با فرمی حتا بهتر هم میشه. سافدی می‌گه: “بهترین سناریو برای آکسیون‌ها اینه که فرمی یه ابرنواختر رو شناسایی کنه. فقط این که احتمالش کمه.” اون اضافه می‌کنه: “اما اگه فرمی اونو ببینه، ما می‌تونیم جرمشو اندازه‌گیری کنیم. می‌تونیم قدرت تعاملش رو اندازه‌گیری کنیم. می‌تونیم همه چیزایی که باید در مورد آکسیون بدونیم رو تعیین کنیم و در مورد سیگنال خیلی مطمئن خواهیم بود، چون هیچ ماده عادی وجود نداره که بتونه چنین رویدادی رو ایجاد کنه.”
این تحقیق با حمایت مالی وزارت انرژی ایالات متحده انجام شده.
بیشتر بخوانید
مدیتیشن یک روز پربرکت برای جذب عشق وامنیت و سلامتی
خود هیپنوتیزم درمان زود انزالی در مردان توسط هیپنوتراپیست رضا خدامهری
تقویت سیستم ایمنی بدن با خود هیپنوتیزم
شمس و طغری
خود هیپنوتیزم ماندن در رژیم لاغری و درمان قطعی چاقی کاملا علمی و ایمن
خود هیپنوتیزم تقویت اعتماد به نفس و عزت نفس