استخدام النجوم النيوترونية لاكتشاف المادة المظلمة

يعد البحث عن طبيعة الكائن المظلم أحد أكبر التحديات في العلم اليوم ، ولكن المفتاح لفهم هذا الكائن الغامض أخيرًا قد يكون في النجوم.

أو بتعبير أدق ، نوع معين من النجوم نيوترون نجمة.

حتى الآن ، تمكن العلماء من التنبؤ بوجود الظلام شيء، ولكن لم يتم ملاحظتها بشكل مباشر. التشخيص حقا جسيمات المادة المظلمة تعتبر الاختبارات على الأرض مهمة شاقة لأن اتصال جسيمات المادة المظلمة بالمادة التقليدية نادر جدًا.

للبحث عن هذه الإشارات النادرة بشكل لا يصدق ، نحتاج إلى كاشف كبير جدًا – ربما يكون من المستحيل إنشاء كاشف كبير بما يكفي على الأرض. ومع ذلك ، توفر الطبيعة خيارًا بديلاً في شكل نجوم نيوترونية – يمكن أن يعمل نجم نيوتروني كامل ككاشف نهائي للمادة المظلمة.

في دراسة نشرت في رسائل المراجعة البدنية، لقد قررنا كيفية استخدام المعلومات التي حصلنا عليها من مكتشفي هذه المادة المظلمة الطبيعية الفريدة بشكل أكثر دقة.

النجوم النيوترونية هي نجوم كثيفة تتواجد وتتشكل عندما تموت النجوم العملاقة في انفجارات المستعر الأعظم. اليسار هو مركز قابل للانهيار حيث تضغط فيه قوة الجاذبية معًا ، وتتحد البروتونات والإلكترونات لتشكل نيوترونات. مع كتلة مماثلة لكتلة الشمس – محيطها حوالي 10 كيلومترات – تزن ملعقة صغيرة من مادة النجم النيوتروني حوالي مليار طن!

هذه النجوم هي “مختبرات كونية” تساعد في دراسة كيفية عمل المادة المظلمة الظروف القاسية لا يمكن أن ينعكس على الأرض.

تتفاعل المادة المظلمة بشكل ضعيف جدًا مع المادة العادية. على سبيل المثال ، يمكن أن يمر بسنة ضوئية الرصاص (حوالي 10 تريليون كيلومتر) دون توقف. ومع ذلك ، وبشكل لا يصدق ، فإن النجوم النيوترونية كثيفة للغاية بحيث يمكنها التقاط جميع جسيمات المادة المظلمة التي تمر عبرها.

نظريًا ، ستصطدم جسيمات المادة المظلمة بالنيوترونات في النجم ، وتفقد الطاقة ، وتحتجز بفعل الجاذبية. بمرور الوقت ، تتراكم جزيئات المادة المظلمة في مركز النجم. من المتوقع أن تقوم بتسخين النجوم النيوترونية القديمة والأكثر برودة للوصول إلى الملاحظات المستقبلية. في الحالات القصوى ، يمكن أن يؤدي تراكم المادة المظلمة إلى انهيار النجم في الثقب الأسود.

هذا يعني أنه قد يكون من الصعب ملاحظة النجوم النيوترونية في تجارب الأرض أو قد تسمح بنوع من المادة المظلمة لاستكشاف هذا أمر مستحيل.

على الأرض ، تبحث تجارب المادة المظلمة عن إشارات انحدار نووي صغيرة ناجمة عن الاصطدامات النادرة للغاية لجزيئات المادة المظلمة بطيئة الحركة. وبالمقارنة ، فإن مجال الجاذبية القوي لنجم نيوتروني يسرع الجسم المظلم إلى سرعة شبه نسبية ، مما يؤدي إلى تصادمات طاقة أعلى.

مشكلة أخرى في الكشف القائم على الأرض هي أن اختبارات الانحدار النووي حساسة للغاية لجزيئات المادة المظلمة ذات الكتلة المشابهة للنواة.

ومع ذلك ، يمكن لجسيمات المادة المظلمة نظريًا أن تحبس كميات كبيرة من النجوم والكواكب ، بغض النظر عن مدى ثقلها أو خفتها.

يتمثل أحد التحديات المهمة في استخدام النجوم النيوترونية لاكتشاف المادة المظلمة في التأكد من أن الحسابات التي يستخدمها العلماء تحسب بشكل كامل البيئة الفريدة للنجم. على الرغم من دراسة التقاط المادة المظلمة في النجوم النيوترونية لعقود من الزمن ، إلا أن الحسابات الحالية فقدت تأثيرات فيزيائية كبيرة.

لذلك يقوم فريقنا بإجراء تحسينات كبيرة في حساب معدل التقاط المادة المظلمة – أي مدى سرعة تراكم المادة المظلمة النجوم النيوترونية– هذا غيّر الإجابات بشكل كبير.

بدلاً من معالجة النيوترونات كجسيمات نقطية ، يحسب بحثنا بدقة بنية النوكليون ، والتي تتضمن تأثيرات القوى القوية بين النوكليونات ، دون نمذجة النيوترونات على أنها الغاز الحر للجسيمات. لقد تم تنظيمه بناءً على عملنا السابق ، والذي قمنا فيه بدمج تكوين النجوم ، وتأثيرات النسبية ، والأرقام الكمية ، وتركيز الجاذبية.

ببساطة ، أوضحنا كيف نفكر بشكل صحيح في اصطدام المادة المظلمة في بيئة النجوم النيوترونية المتطرفة ، والتي تختلف كثيرًا بالنسبة لكاشفات المادة المظلمة على الأرض.

يعزز هذا البحث الجديد دقة ويقين تقديراتنا لمعدلات التقاط المادة المظلمة. هذا يمهد الطريق لتحديد قوة تفاعلات المادة المظلمة مع المادة الطبيعية بشكل أفضل.

أخيرًا ، مصدر (أو نقص الأدلة) لتراكم المادة المظلمة. النجوم يقدم أدلة قيمة حول المكان الذي يجب أن تستهدف فيه الجهود التجريبية على الأرض ، مما يساعد على كشف الغموض المادة المظلمة.