آیا می‌توانیم ماده تاریک را با استفاده از نور تپ‌اخترها تشخیص دهیم؟
محققان از تپ اخترها برای تأیید وجود ذرات بدیهی و شاید ماده تاریک استفاده کردند. نتایج منفی بود، اما این تنها قدم اول است.
مفهوم هنری از ماده تاریک، گویی ما به راحتی می‌توانیم آن را ببینیم. یک مطالعه جدید بررسی می‌کند که آیا ما می‌توانیم ماده تاریک را با تجزیه و تحلیل انرژی امواج رادیویی حاصل از تپ‌اخترها تشخیص دهیم یا خیر. تصویر از وزارت انرژی ایالات متحده/ویکی‌مدیا کامانز (دامنه عمومی).
ماده تاریک به این دلیل تاریک نامیده می‌شود که ما نمی‌توانیم آن را ببینیم، نه با چشمانمان و نه با هیچ روش تشخیص انسانی تاکنون. ستاره‌شناسان معتقدند ماده تاریک وجود دارد. آنها معتقدند که می‌توانند اثرات گرانشی آن را اندازه‌گیری کنند. در 6 اکتبر 2023، محققان دانشگاه آمستردام و جاهای دیگر یک روش احتمالی جدید مشاهده ماده تاریک را اعلام کردند. ایده استفاده از تپ‌اخترها، ستارگان نوترونی – بقایای کوچک، فوق‌العاده چگال و در حال چرخش ستارگان بسیار پرجرم‌تر – برای تشخیص مستقیم و حتی «دیدن» ماده تاریک است.
اکنون به یاد داشته باشید که هیچ کس تا کنون ماده تاریک را شناسایی نکرده است. بنابراین ما دقیقاً نمی‌دانیم چیست. اما یک ایده که هنوز اثبات نشده است این است که ماده تاریک از آکسیونها (نوعی ذره زیر اتمی) تشکیل شده است. روش جدید تشخیص ماده تاریک بر این امکان متکی است.
به دنبال نوع جدیدی از ماده است
ماده تاریک چیست؟ چرا ما نمی‌توانیم آن را ببینیم؟ دانشمندان می‌دانند که ما همه چیز را در مورد کیهان نمی‌دانیم. یکی از تلاشها، در مرزهای علمی، جستجوی انواع جدیدی از ذرات بنیادی است – کوچکتر از اتم‌ها که تصور می‌شود ذرات اساسی تشکیل‌دهنده اتم‌ها هستند – که تشخیص آنها از 61 ذره بنیادی که اکنون مورد بحث قرار گرفته‌اند بسیار سخت‌تر است (از جمله الکترون‌ها و سایر ذرات). لپتون ها، کوارک ها، بوزون های بنیادی و غیره).
اکسیونها ذرات بنیادی فرضی هستند. تصور می‌شود که آنها ذرات بسیار سبک و خنثی الکتریکی هستند. دانشمندان برای چندین دهه حدس می‌زدند که آکسیونها ممکن است جداسازی بسیار کوچک بارهای مثبت و منفی در داخل نوترون‌ها را توضیح دهند. بنابراین امکان وجود آنها وجود دارد. اما دانشمندان هنوز به طور قطعی اکسیونها را شناسایی نکرده‌اند.
این واقعیت دانشمندان را از حدس و گمان بیشتر در مورد آکسیونها باز نمی‌دارد. آیا ماده تاریک می‌تواند از آکسیونها ساخته شود؟ اگر چنین است، پس – در زمانی از علم که هنوز نمی‌توانیم آکسیونها را تشخیص دهیم – منطقی است که ما نمی‌توانیم ماده تاریک را نیز تشخیص دهیم.
استفاده از تپ اخترها برای تشخیص ماده تاریک
روش جدید تپ اختر را وارد کنید. اگر ماده تاریک از اکسیونها تشکیل شده است – هنوز هم اگر بزرگ است – پس آیا می‌توانیم از ستاره‌های در حال چرخش دور – تپ اخترها – برای تشخیص آن استفاده کنیم؟ تئوری‌های کنونی نشان می‌دهند که آکسیونها باید به صورت انبوه در جهان تولید شوند و در واقع، اکنون دانشمندان می‌گویند که 85 درصد از ماده در جهان را ماده تاریک تشکیل می‌دهد.
از نظر تئوری (و به یاد داشته باشید، ما در اینجا در مرزهای علم هستیم)، میدانهای الکترومغناطیسی ممکن است قادر باشند برخی از اکسیونها را به نور تبدیل کنند (البته نور بسیار ضعیف). آیا این امر می‌تواند راهی برای یافتن آکسیون ها و «دیدن» ماده تاریک باشد؟ شاید.
پس قوی‌ترین میدانهای الکترومغناطیسی جهان کجا هستند؟ پاسخ تپ‌اختر است. تپ اخترها به خاطر پرتوهای شدید انرژی رادیویی مشهور هستند که هنگام چرخش از خود ساطع می کنند که باعث می‌شود به نوعی شبیه فانوس‌های دریایی کیهانی باشند.
چرخش سریع یک تپ اختر همچنین می‌تواند ستاره نوترونی را به یک آهنربای الکتریکی قدرتمند تبدیل کند. به طور متوسط، یک تپ اختر می‌تواند تعداد زیادی آکسیون، در حد اعداد 50 رقمی تولید کند. این تعداد زیادی صفر است! سپس کسری از آن آکسیونها به ذرات نور مرئی تبدیل می‌شوند. با این حال، آن نور به قدری ضعیف است که ستاره شناسان فقط می‌توانند آن را به صورت امواج رادیویی تشخیص دهند.
در جستجوی یک درخشش ضعیف
بنابراین، ستاره‌شناسان چگونه می‌توانند تشخیص دهند که آکسیونها – اگر وجود داشته باشند – چیزی هستند که ماده تاریک از آن ساخته شده است؟ آنها می‌توانند به دنبال درخشش ظریف نوری باشند که از اطراف تپ‌اخترها ساطع می‌شوند. نکته کلیدی این است که بدانید یک تپ اختر با آکسیون چگونه است و یک تپ اختر بدون آکسیون چگونه به نظر می‌رسد.
این جایی است که مطالعه جدید وارد می‌شود. از آنجایی که وجود آکسیونها هنوز ثابت نشده است، این رویکرد هنوز یک رویکرد نظری است که به سه موضوع اساسی می‌پردازد: چگونه آکسیونها تولید می‌شوند، چگونه آکسیونها از کشش گرانشی یک ستاره نوترونی فرار می‌کنند و چگونه به تشعشعات رادیویی کم انرژی (درخشش ظریف) تبدیل می‌شوند. محققان از پیشرفته‌ترین شبیه‌سازی‌های عددی پلاسما برای مدلسازی چگونگی تولید اکسیون توسط تپ‌اخترها استفاده کردند. سپس آنها نحوه حرکت اکسیون ها در میدان های الکترومغناطیسی ستارگان نوترونی را شبیه سازی کردند. با این داده‌ها، محققان می‌توانند نحوه تولید امواج رادیویی ضعیف را مدل کنند. این امواج رادیویی علاوه بر امواج رادیویی بسیار قوی‌تر معمولی هستند که تپ اخترها تولید می کنند.
تصویر هنری از یک تپ اختر، یک ستاره نوترونی به سرعت در حال چرخش است. اگر ماده تاریک از آکسیونها تشکیل شده باشد، از نظر تئوری می‌توانیم از انرژی امواج رادیویی تپ‌اخترها برای “دیدن” آن استفاده کنیم. تصویر از مرکز پرواز فضایی ناسا/ گوددارد.
محققان اولین آزمایشهای رصدی واقعی خود را با استفاده از 27 تپ اختر مجاور انجام دادند. آیا آنها امواج رادیویی اضافی را شناسایی کردند که ممکن است از اکسیونها باشد ؟ متاسفانه نه. بنابراین حداقل در حال حاضر، هیچ روشی برای تایید وجود آکسیونها یا ماده تاریک وجود ندارد. با این حال، مشاهدات محدودیتهایی را در مورد میزان انرژی امواج رادیویی اضافی تعیین کردند که ممکن است توسط اکسیونها تولید شود. هنوز این امکان وجود دارد که مشاهدات آینده بتوانند سیگنال رادیویی گریزان را از بین ببرند. همانطور که مقاله توضیح می‌دهد:
محدودیتهای مشتق‌شده در این نامه به‌طور قابل‌توجهی بر محدوده‌های موجود بهبود می‌یابد و برخلاف آزمایشهای هالوسکوپ اکسیون (و جستجوهای خط رادیویی)، آکسیونها در ماده تاریک نقش دارند. علاوه بر این، از آنجایی که شار رادیویی مقیاس می‌شود، محدودیت تا حد زیادی به خطاهای مدلسازی نادرست جزئی حساس نیست. محدوده جرمی تحت پوشش محدودیتهای ما با فرکانس مشاهدات رادیویی (فرکانسهای بالاتر می‌توانند جرم‌های بالاتر را بررسی کنند) و هزینه محاسباتی (زمان محاسبه در جرم‌های پایین‌تر و بالاتر افزایش می‌یابد) محدود می‌شود.
تجزیه و تحلیل جامع تمام تپ اخترها در کاتالوگ تپ اختر ATNF و همچنین مشاهدات اختصاصی تپ اختر در فرکانسهای بالا، می‌تواند به طور قابل توجهی این نتایج را بهبود بخشد. ما این تحلیل گسترده‌تر را برای کارهای آینده محفوظ می‌داریم.
جستجو ادامه دارد
بنابراین جستجو برای اکسیونها و ماده تاریک ادامه دارد. آنچه دن هوپر در گفتگو در سال 2017 نوشت، امروز هم درست به نظر می‌رسد:
گریزان بودن ماده تاریک بسیاری از دانشمندان را شگفت زده و سردرگم کرده است. ما دلایل بسیار خوبی داشتیم تا انتظار داشته باشیم ذرات ماده تاریک تا کنون کشف شوند و با این حال شکار ادامه دارد و راز عمیق‌تر می‌شود.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
Can we detect dark matter using light from pulsars?
Posted by Paul Scott Anderson October 16, 2023
https://earthsky.org/space/dark-matter-pulsars-axions/