ستارگان مرده در انفجارهای ابرنواختری ممکن است معمای ماده تاریک را در 10 ثانیه حل کنند
پرتوهای گامای ساطع شده توسط ستارگان نوترونی در قلب انفجارهای ابرنواختری می توانند معمای ماده تاریک را در 10 ثانیه حل کنند. یعنی اگر ماده تاریک از آکسیون ها تشکیل شده باشد که ذرات نور فرضی هستند که در حال حاضر کاندیدای اصلی ماده تاریک هستند.
تیم دانشگاه کالیفرنیا برکلی پشت این نظریه معتقد است که اگر درست باشد، فوران ابرنواختری به اندازه کافی نزدیک به زمین به ما امکان می‌دهد تا انتشارات نور پرانرژی آن را شناسایی کنیم، جرم اکسیون را تأیید کنیم و بنابراین کل پازل را با ماده تاریک کامل کنیم.
انفجار ابرنواختر ضروری باید از یک ستاره عظیم در حال مرگ و انفجار در کهکشان راه شیری یا در یکی از کهکشان های اقماری آن، مانند ابر ماژلانی بزرگ، رخ دهد. این نوع وقایع به طور متوسط هر چند دهه یکبار اتفاق می‌افتند، با آخرین ابرنواختر نزدیک به نام ابرنواختر 1987A، که در سال 1987 در ابر ماژلانی بزرگ فوران می‌کند.
اگر حق با محققین باشد، جستجوی ماده تاریک که برای چندین دهه اخترشناسان را دچار مشکل کرده است، می تواند در آینده ای نزدیک با کمی شانس حل شود.
برای تشخیص پرتوهای گامای گویا، تنها تلسکوپ پرتو گامای مبتنی بر فضا بشر، تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی، نیاز دارد تا جهت یک ابرنواختر مجاور را هنگام انفجار مشخص کند. وقتی میدان دید فرمی را در نظر بگیریم، شانس این اتفاق 1 در 10 است.
این تیم معتقد است که تنها یک تشخیص پرتو گاما از یک ستاره نوترونی در مرکز باقیمانده ابرنواختر برای تعیین جرم محور از طیف وسیعی از جرم‌های نظری که در حال حاضر برای این ذرات فرضی پیشنهاد شده‌اند، کافی است. این تیم به ویژه به کشف نوعی آکسون به نام آکسون QCD علاقه مند است. برخلاف دیگر آکسیون های فرضی، جرم آکسیون QCD به دما بستگی دارد.
بنجامین سافدی، نویسنده اصلی این مطالعه و دانشیار فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا، گفت: «اگر بخواهیم ابرنواختری مانند ابرنواختر 1987A را با تلسکوپ پرتو گاما مدرن ببینیم، می‌توانیم این اکسیون QCD را شناسایی یا رد کنیم. برکلی در بیانیه ای اعلام کرد. “و همه چیز در عرض 10 ثانیه اتفاق می افتد.”
چرا اشعه گاما؟
ماده تاریک برای دانشمندان مشکل آزاردهنده‌ای است زیرا 5 به 1 از ذرات “ماده روزمره” در کیهان بیشتر است. این مهم است زیرا هر ستاره، ابری از غبار کیهانی، ماه، سیارک، سیاره، انسان، حیوان و هر شی غیر زنده ای که زندگی ما را پر می کند از ماده روزمره تشکیل شده است.
ماده تاریک نیز مشکل است زیرا با نور برهمکنش نمی‌کند – یا اگر برهمکنش داشته باشد، آنقدر ضعیف است که ما نمی‌توانیم آن را ببینیم. این باعث می شود ماده تاریک به طور موثر نامرئی باشد. با ادامه یافتن ذراتی که می توانند ماده تاریک را بسازند، آکسیون ها به عنوان نامزدهای پیشرو در حال ظهور هستند.
این راحت است زیرا این ذرات فقط به خوبی در مدل استاندارد فیزیک ذرات قرار نمی گیرند. آنها همچنین اسرار دیگری را توضیح می دهند. به عنوان مثال، آنها می توانند کلید یکپارچه سازی نظریه گرانش، نسبیت عام و فیزیک کوانتومی آلبرت انیشتین باشند.
صفیدی توضیح داد: «تقریباً غیرممکن به نظر می رسد که یک نظریه منسجم از گرانش همراه با مکانیک کوانتومی داشته باشیم که ذراتی مانند آکسیون نداشته باشد.
در حالی که بسیاری از آزمایش‌های زمینی باغ وحش ذرات را برای تأیید وجود آکسیون‌ها جست‌وجو کرده‌اند، بسیاری از دانشمندان توجه خود را به افراطی‌ترین ستارگان جهان، ستاره‌های نوترونی معطوف کرده‌اند و نشان می‌دهند که ممکن است این ذرات فرضی را در خود جای دهند.
ستاره‌های نوترونی زمانی متولد می‌شوند که ستارگان پرجرم سوخت مورد نیاز برای همجوشی هسته‌ای در هسته‌شان تمام می‌شود و فشار تشعشعی که برای میلیاردها سال ایجاد کرده‌اند متوقف می‌شود. این بدان معناست که این ستارگان دیگر نمی توانند خود را در برابر رانش گرانش خود به داخل حمایت کنند.
همانطور که هسته آنها به سرعت در حال فروپاشی است، امواج ضربه ای لایه های بالایی این ستارگان پرجرم را از بین می برند و ابرنواخترهایی را ایجاد می کنند که بیشتر جرم ستارگان را منفجر می کنند. نتیجه ستارگان نوترونی با جرمی بین یک تا دو برابر خورشید و حدود 12 مایل (20 کیلومتر) عرض است.
دانشمندان پیشنهاد کرده اند که به دنبال اکسیون های ایجاد شده در داخل ستاره های نوترونی بلافاصله پس از ابرنواختر فروپاشی هسته که آنها را به دنیا آورد، بگردند. این تلاش بیشتر بر روی آکسیون‌ها متمرکز است که به آرامی فوتون‌های پرتو گاما (ذرات اساسی نور) را هنگام برخورد ذرات با میدان‌های مغناطیسی اطراف کهکشان‌ها تولید می‌کنند.
Safdie و همکارانش این نظریه را مطرح کردند که این فرآیند در ایجاد پرتوهای گاما بسیار کارآمد نخواهد بود، حداقل در حجم کافی برای شناسایی توسط زمین. در نتیجه، آنها تمرکز خود را روی یک فرآیند کیهانی مشابه تغییر دادند، اما این بار فرآیندی که در میدان‌های مغناطیسی قدرتمندی که خود ستاره‌های نوترونی را احاطه کرده‌اند، رخ می‌دهد. آنها دریافتند که این ناحیه می تواند به طور موثر یک انفجار پرتو گاما را تحریک کند که با جرم اکسیون ها مطابقت دارد و با انفجار “ذرات روح” یا نوترینوها از قلب ستاره نوترونی مربوطه منطبق است.
این انفجار اکسیون‌ها تنها 10 ثانیه پس از تشکیل ستاره نوترونی دوام می‌آورد و سرعت تولید این ذرات فرضی ساعت‌ها قبل از انفجار لایه‌های بیرونی ستاره به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد.
سافدی گفت: «این واقعاً باعث شد که به ستاره‌های نوترونی به‌عنوان اهداف بهینه برای جستجوی اکسیون‌ها به‌عنوان آزمایشگاه‌های اکسیون فکر کنیم. «ستارگان نوترونی اتفاقات زیادی دارند. آنها اجسام بسیار داغ هستند. میدان های مغناطیسی بسیار قوی را نیز می پذیرند. قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی در جهان ما در اطراف ستاره‌های نوترونی مانند مگنتارها یافت می‌شوند که میدان‌های مغناطیسی آنها ده‌ها میلیارد بار قوی‌تر از هر چیزی است که می‌توانیم در آزمایشگاه بسازیم، که به تبدیل این اکسیون‌ها به سیگنال‌های مرئی کمک می‌کند.
سافدی و همکارانش به دنبال این خط تحقیقات و با در نظر گرفتن سرعت سرد شدن ستارگان نوترونی هنگام تولید اکسون و نوترینو، دریافتند که جرم بالایی آکسون QCD احتمالاً 32 برابر کوچکتر از جرم الکترون است.
در این کار جدید، تیم تولید پرتوهای گاما را پس از ابرنواختر فروپاشی هسته که یک ستاره نوترونی ایجاد کرد، توصیف کرد و اهمیت این واقعیت را در نظر گرفت که فرمی در هنگام انفجار ابرنواختر 1987A پرتوهای گاما را تشخیص نداد. این امر باعث شد تا محققان به این نتیجه برسند که تشخیص پرتوهای گاما از چنین رویداد انفجاری به آنها اجازه می دهد تا آکسون QCD را در صورتی که جرمی بیشتر از 10 میلیاردم جرم یک الکترون داشته باشد، مشاهده کنند. آنها استدلال می کنند که تنها یک کشف برای تغییر مسیر جستجو برای اکسیون ها و کمک به تأیید جرم آنها کافی است.
بهترین سناریو برای اکسیون ها این است که فرمی یک ابرنواختر را بگیرد. فقط شانس آن اندک است. اما اگر فرمی آن را می دید، می توانستیم جرم آن را اندازه گیری کنیم. ما قادر خواهیم بود قدرت تعامل آن را اندازه گیری کنیم. ما می‌توانیم همه چیزهایی را که باید در مورد اکسیون بدانیم تعیین کنیم و به سیگنال فوق‌العاده مطمئن خواهیم بود، زیرا هیچ ماده معمولی وجود ندارد که چنین رویدادی را ایجاد کند.”
این تیم آگاه است که در معرض خطر از دست دادن پرتوهای گامای ایجاد شده توسط اکسیون های حاصل از فوران بعدی ابرنواختر در نزدیکی کهکشان راه شیری است.
برای جلوگیری از این نتیجه، این تیم با دانشمندانی که در حال ساخت تلسکوپ های پرتو گاما بودند کار کردند تا تعیین کنند که تا چه حد امکان رصد 100 درصد آسمان در 24/7 وجود دارد. این تضمین می کند که هر پرتو گامایی که از یک ابرنواختر خارج می شود، شناسایی می شود. محققان پیشنهاد کرده اند که صورت فلکی ماهواره های پرتو گاما در سراسر آسمان را به نام ابزار کهکشانی اکسیون برای ابرنواختر (GALAXIS) نامگذاری کنند.
سافدی گفت: “من فکر می کنم همه ما در این مقاله در مورد وجود یک ابرنواختر دیگر قبل از اینکه ابزار مناسبی داشته باشیم، استرس داریم.” “اگر فردا یک ابرنواختر منفجر شود و ما فرصتی را برای شناسایی اکسیون از دست بدهیم واقعاً مایه شرمساری خواهد بود – ممکن است تا 50 سال دیگر دوباره ظاهر نشود.”
تحقیقات این تیم در 19 نوامبر در مجله Physical Review Letters منتشر شد.
