ابرنواختر نزدیک: کلید پایان جستجوی ماده تاریک؟

جستجوی ماده تاریک جهان: فرصتی برای کشف

جستجو برای ماده تاریک جهان ممکن است فردا به پایان برسد، اگر یک سوپرنوا در نزدیکی ما منفجر شود و کمی شانس هم داشته باشیم. ماهیت ماده تاریک برای ۹۰ سال گذشته از دید ستاره‌شناسان پنهان مانده است، از زمانی که متوجه شدند ۸۵ درصد از ماده موجود در جهان از طریق تلسکوپ‌های ما قابل مشاهده نیست. در حال حاضر، محتمل‌ترین نامزد ماده تاریک، آکسیون است؛ ذره‌ای سبک که محققان در سرتاسر جهان به شدت در تلاش برای یافتن آن هستند.

ستاره‌شناسان در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، اکنون استدلال می‌کنند که آکسیون می‌تواند در عرض چند ثانیه پس از شناسایی پرتوهای گامای ناشی از انفجار یک سوپرنوا در نزدیکی ما کشف شود. اگر آکسیون‌ها وجود داشته باشند، در طی ۱۰ ثانیه اول پس از فروپاشی هسته یک ستاره بزرگ به یک ستاره نوترونی، به مقدار زیادی تولید می‌شوند و این آکسیون‌ها از هسته ستاره فرار کرده و در میدان مغناطیسی شدید ستاره به پرتوهای گامای با انرژی بالا تبدیل می‌شوند.

شناسایی چنین پدیده‌ای تنها در صورتی ممکن است که تلسکوپ گامای تنها در مدار، یعنی تلسکوپ فضایی فرمی، در زمان انفجار سوپرنوا به سمت آن اشاره کند. با توجه به میدان دید این تلسکوپ، شانس این اتفاق حدود یک در ۱۰ است. با این حال، یک شناسایی از پرتوهای گاما می‌تواند جرم آکسیون، به ویژه آکسیون QCD، را در یک دامنه وسیع از جرم‌های نظری مشخص کند، از جمله دامنه‌های جرمی که در آزمایش‌های زمین در حال بررسی هستند. اما عدم شناسایی، دامنه وسیعی از جرم‌های بالقوه برای آکسیون را از بین می‌برد و بیشتر جستجوهای فعلی برای ماده تاریک را بی‌معنی می‌کند.

مشکل این است که برای اینکه پرتوهای گامای به اندازه کافی روشن باشند تا قابل شناسایی باشند، سوپرنوا باید در نزدیکی ما باشد؛ در کهکشان راه شیری یا یکی از کهکشان‌های ماهواره‌ای آن. ستاره‌های نزدیک به طور متوسط هر چند دهه یک بار منفجر می‌شوند. آخرین سوپرنوا در نزدیکی ما در سال ۱۹۸۷ در ابر بزرگ ماگلانیک، یکی از ماهواره‌های کهکشان راه شیری، رخ داد. در آن زمان، یک تلسکوپ گامای اکنون غیر فعال به نام مأموریت حداکثر خورشیدی به سمت سوپرنوا اشاره می‌کرد، اما طبق تحلیل تیم دانشگاه برکلی، حساسیت آن به اندازه‌ای نبود که بتواند شدت پیش‌بینی شده پرتوهای گاما را شناسایی کند.

بنجامین سافدی، استاد فیزیک دانشگاه برکلی و نویسنده ارشد مقاله‌ای که در ۱۹ نوامبر در مجله Physical Review Letters منتشر شد، گفت: “اگر ما سوپرنواهایی مانند سوپرنوا ۱۹۸۷A را با یک تلسکوپ گامای مدرن ببینیم، قادر خواهیم بود این آکسیون QCD، که بسیار جالب است، را در بیشتر فضای پارامترهایش شناسایی یا رد کنیم — اساساً تمام فضای پارامترهایی که نمی‌توان در آزمایشگاه بررسی کرد و بسیاری از فضای پارامترهایی که می‌توان در آزمایشگاه بررسی کرد.” او افزود: “و همه اینها در عرض ۱۰ ثانیه اتفاق می‌افتد.”

با این حال، محققان نگران هستند که وقتی سوپرنوا که مدت‌ها منتظر آن بوده‌ایم در جهان نزدیک منفجر شود، ما آماده نباشیم تا پرتوهای گامای تولید شده توسط آکسیون‌ها را ببینیم. دانشمندان اکنون با همکارانی که تلسکوپ‌های گامای می‌سازند در حال گفتگو هستند تا امکان راه‌اندازی یک یا چند تلسکوپ از این نوع را بررسی کنند تا ۱۰۰ درصد آسمان را به‌طور ۲۴ ساعته و ۷ روز هفته پوشش دهند و مطمئن شوند که هر انفجار پرتو گامایی را شناسایی می‌کنند. آن‌ها حتی نامی برای مجموعه ماهواره‌ای گامای تمام آسمان خود پیشنهاد داده‌اند: ابزار آکسیون کهکشانی برای سوپرنوا، یا GALAXIS.

سافدی گفت: “من فکر می‌کنم همه ما در این مقاله نگران هستیم که یک سوپرنوا قبل از اینکه تجهیزات مناسب را داشته باشیم، رخ دهد. اگر فردا یک سوپرنوا منفجر شود و ما فرصتی برای شناسایی آکسیون را از دست بدهیم، واقعاً شرم‌آور خواهد بود — ممکن است ۵۰ سال دیگر دوباره این فرصت پیش نیاید.”

آکسیون‌های QCD

جستجو برای ماده تاریک در ابتدا بر روی اشیاء هاله‌ای فشرده و کم‌نور (MACHOs) متمرکز بود که به‌طور نظری در سراسر کهکشان و جهان پراکنده شده بودند، اما وقتی این‌ها به نتیجه نرسیدند، فیزیک‌دانان شروع به جستجوی ذرات بنیادی کردند که به‌طور نظری در اطراف ما وجود دارند و باید در آزمایشگاه‌های زمینی قابل شناسایی باشند. این ذرات با تعامل ضعیف (WIMPs) نیز نتوانستند شناسایی شوند. در حال حاضر، بهترین نامزد برای ماده تاریک، آکسیون است؛ ذره‌ای که به خوبی در مدل استاندارد فیزیک جا می‌گیرد و چندین معما دیگر در فیزیک ذرات را حل می‌کند.

آکسیون‌ها و نظریه‌های بنیادی کیهان

آکسیون‌ها از نظریه رشته‌ها، که فرضیه‌ای دربارهٔ هندسهٔ زیرین جهان است، به‌خوبی به‌دست آمده‌اند و ممکن است بتوانند گرانش را که تعاملات در مقیاس‌های کیهانی را توضیح می‌دهد، با نظریهٔ مکانیک کوانتومی که به توصیف مقیاس‌های بسیار کوچک می‌پردازد، یکپارچه کنند. سافدی گفت: “به‌نظر می‌رسد تقریباً غیرممکن است که نظریه‌ای منسجم از گرانش که با مکانیک کوانتومی ترکیب شده باشد، وجود داشته باشد و در عین حال ذراتی مانند آکسیون نداشته باشد.”

قوی‌ترین نامزد برای آکسیون، که به آن آکسیون QCD می‌گویند (نام‌گذاری شده بر اساس نظریهٔ حاکم بر نیروی قوی، کرومودینامیک کوانتومی)، به‌طور نظری با تمام ماده‌ها، هرچند به‌طور ضعیف، از طریق چهار نیروی طبیعت تعامل می‌کند: گرانش، الکترومغناطیس، نیروی قوی که اتم‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد، و نیروی ضعیف که تجزیهٔ اتم‌ها را توضیح می‌دهد. یکی از پیامدهای این تعامل این است که در یک میدان مغناطیسی قوی، آکسیون باید گاهی به یک موج الکترومغناطیسی یا فوتون تبدیل شود.

آکسیون به‌طور قابل‌توجهی با ذرهٔ سبک دیگر، نوترینو، که تنها از طریق گرانش و نیروی ضعیف تعامل می‌کند و کاملاً نیروی الکترومغناطیسی را نادیده می‌گیرد، متفاوت است. آزمایش‌های آزمایشگاهی، مانند کنسرسیوم ALPHA (آکسیون پلاسمای طولی هالوسکوپ)، DMradio و ABRACADABRA، که همگی شامل محققان دانشگاه کالیفرنیا، برکلی هستند، از حفره‌های فشرده‌ای استفاده می‌کنند که مانند یک چنگال کوک، با میدان الکترومغناطیسی ضعیف یا فوتونی که هنگام تبدیل آکسیون با جرم کم در حضور یک میدان مغناطیسی قوی تولید می‌شود، هم‌راستا و تقویت می‌شوند.

به‌علاوه، اخترشناسان پیشنهاد کرده‌اند که به دنبال آکسیون‌هایی باشند که در داخل ستاره‌های نوترونی بلافاصله پس از یک سوپرنوا با فروپاشی هسته‌ای، مانند سوپرنوا 1987A تولید می‌شوند. با این حال، تا کنون، آن‌ها عمدتاً بر شناسایی پرتوهای گاما از تبدیل کند این آکسیون‌ها به فوتون‌ها در میدان‌های مغناطیسی کهکشان‌ها تمرکز کرده‌اند. سافدی و همکارانش متوجه شدند که این فرآیند در تولید پرتوهای گاما چندان کارآمد نیست، یا حداقل به اندازه‌ای نیست که از زمین قابل شناسایی باشد. در عوض، آن‌ها تولید پرتوهای گاما توسط آکسیون‌ها در میدان‌های مغناطیسی قوی اطراف همان ستاره‌ای که آکسیون‌ها را تولید کرده، بررسی کردند. شبیه‌سازی‌های ابررایانه نشان داد که این فرآیند به‌طور بسیار کارآمدی یک انفجار پرتو گاما تولید می‌کند که به جرم آکسیون بستگی دارد و این انفجار باید همزمان با انفجار نوترینوها از داخل ستارهٔ نوترونی داغ رخ دهد.

با این حال، این انفجار آکسیون‌ها تنها 10 ثانیه پس از تشکیل ستارهٔ نوترونی ادامه دارد و پس از آن، نرخ تولید به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد، هرچند ساعت‌ها قبل از آنکه لایه‌های بیرونی ستاره منفجر شوند. سافدی گفت: “این واقعاً ما را به این فکر انداخت که ستاره‌های نوترونی به‌عنوان اهداف بهینه برای جستجوی آکسیون‌ها به‌عنوان آزمایشگاه‌های آکسیون هستند.” او افزود: “ستاره‌های نوترونی مزایای زیادی دارند. آن‌ها اجسام بسیار داغی هستند و همچنین دارای میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی هستند. قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی در جهان ما در اطراف ستاره‌های نوترونی، مانند مگنتارها، وجود دارند که میدان‌های مغناطیسی آن‌ها ده‌ها میلیارد بار قوی‌تر از هر چیزی است که می‌توانیم در آزمایشگاه بسازیم. این به تبدیل آکسیون‌ها به سیگنال‌های قابل‌مشاهده کمک می‌کند.”

دو سال پیش، سافدی و همکارانش بهترین حد بالایی برای جرم آکسیون QCD را حدود 16 میلیون الکترون ولت، یا حدود 32 بار کمتر از جرم الکترون، تعیین کردند. این بر اساس نرخ خنک شدن ستاره‌های نوترونی بود که اگر آکسیون‌ها به همراه نوترینوها در داخل این اجسام داغ و فشرده تولید می‌شدند، سریع‌تر خنک می‌شدند. در مقالهٔ کنونی، تیم دانشگاه کالیفرنیا، برکلی نه تنها تولید پرتوهای گاما پس از فروپاشی هسته‌ای به یک ستارهٔ نوترونی را توصیف می‌کند، بلکه از عدم شناسایی پرتوهای گاما از سوپرنوا 1987A برای تعیین بهترین محدودیت‌ها بر روی جرم ذرات مشابه آکسیون استفاده می‌کند که با آکسیون‌های QCD متفاوت هستند زیرا از طریق نیروی قوی تعامل نمی‌کنند. آن‌ها پیش‌بینی می‌کنند که شناسایی پرتو گاما به آن‌ها این امکان را می‌دهد که جرم آکسیون QCD را شناسایی کنند اگر بالای 50 میکرو الکترون ولت (میکرو-eV یا μeV) باشد، یا حدود یک ده میلیاردم جرم الکترون. یک شناسایی واحد می‌تواند آزمایش‌های موجود را دوباره متمرکز کند تا جرم آکسیون را تأیید کند، سافدی گفت.

در حالی که یک ناوگان تلسکوپ‌های پرتو گاما بهترین گزینه برای شناسایی پرتوهای گاما از یک سوپرنوا نزدیک است، شانس خوش‌شانس با فرمی حتی بهتر خواهد بود. سافدی گفت: “بهترین سناریو برای آکسیون‌ها این است که فرمی یک سوپرنوا را شناسایی کند. فقط این‌که احتمال آن کم است.” او افزود: “اما اگر فرمی آن را ببیند، ما قادر خواهیم بود جرم آن را اندازه‌گیری کنیم. ما قادر خواهیم بود قدرت تعامل آن را اندازه‌گیری کنیم. ما قادر خواهیم بود همه چیزهایی را که باید دربارهٔ آکسیون بدانیم، تعیین کنیم و ما در مورد سیگنال بسیار مطمئن خواهیم بود زیرا هیچ مادهٔ عادی وجود ندارد که بتواند چنین رویدادی را ایجاد کند.”

این تحقیق با حمایت مالی از وزارت انرژی ایالات متحده انجام شده است.