ستارهشناسان مدتهاست که با دو پدیده عجیب در قلب کهکشان ما روبهرو هستند.
نخست، گاز موجود در ناحیهی مرکزی مولکولی (CMZ) — منطقهای چگال و آشفته در نزدیکی مرکز کهکشان — به طرز عجیبی یونیده به نظر میرسد، یعنی الکترون از دست داده و دارای بار الکتریکی شده است.
دوم، تلسکوپها در این ناحیه تابشی مرموز از پرتوهای گاما را با انرژی ۵۱۱ کیلو الکترونولت (keV) شناسایی کردهاند؛ این میزان انرژی برابر با انرژی یک الکترون در حالت سکون است.
جالب آنکه این پرتوهای گاما زمانی تولید میشوند که یک الکترون با پادذرهی خود، یعنی پوزیترون (که مانند الکترون است اما با بار مخالف)، برخورد کرده و در یک چشم بر هم زدن ناپدید شوند و بهصورت نور ظاهر شوند.
علت این دو پدیده، با وجود دههها رصد، همچنان در هالهای از ابهام باقی مانده است.
اما در یک پژوهش جدید که در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده، ما نشان دادهایم که هر دوی این پدیدهها ممکن است به یکی از اسرارآمیزترین اجزای جهان مربوط باشند: ماده تاریک.
ما بهویژه پیشنهاد میکنیم که شکل جدیدی از ماده تاریک، سبکتر از انواعی که معمولاً ستارهشناسان به دنبال آن هستند، میتواند مسئول این رفتارها باشد.
کاوش در فرایندی پنهان: رازهای ناشناخته
(رمبرگ از گتی ایماژ سیگنچر/کانوا)
منطقهی CMZ حدود ۷۰۰ سال نوری گسترده است و یکی از چگالترین گازهای مولکولی کهکشان را در خود جای داده است. پژوهشگران با بررسیهای سالهای اخیر دریافتهاند که این ناحیه بهطرز غیرمنتظرهای یونیده شده است؛ یعنی مولکولهای هیدروژن آن با سرعتی بسیار بیش از حد انتظار به ذرات باردار (الکترونها و هستهها) شکسته میشوند.
منابعی مانند پرتوهای کیهانی و نور ستارگان میتوانند باعث این یونش شوند، اما بهتنهایی نمیتوانند شدت مشاهدهشده را توضیح دهند.
پدیدهی دوم، یعنی تابش ۵۱۱ keV، نخستین بار در دههی ۱۹۷۰ مشاهده شد، اما منشأ مشخصی برای آن یافت نشده است. گزینههایی مانند ابرنواخترها، ستارگان بزرگ، سیاهچالهها و ستارگان نوترونی پیشنهاد شدهاند، اما هیچکدام الگو و شدت این تابش را بهطور کامل توضیح نمیدهند.
ما یک سؤال ساده مطرح کردیم:
آیا ممکن است هر دو پدیده، حاصل یک فرایند پنهان مشترک باشند؟
مادهای که دیده نمیشود: رمز و رازهای عالم پنهان
حدود ۸۵٪ از مادهی موجود در جهان از ماده تاریک تشکیل شده است. این ماده نه نور تابش میکند و نه آن را جذب میکند، اما اثر گرانشی آن آشکار است.
با این حال، هنوز مشخص نیست این ماده از چه ساخته شده است.
یکی از گزینههای کمتر بررسیشده این است که ذرات ماده تاریک میتوانند بسیار سبک باشند، با جرمی تنها چند میلیون الکترونولت — بسیار سبکتر از پروتون.
این نوع ذرات را ماده تاریک زیر-GeV مینامند.
چنین ذراتی ممکن است با پادذرههای خود واکنش دهند. در پژوهش ما، بررسی کردیم که اگر این ذرات سبک ماده تاریک در مرکز کهکشان با پادذرههای خود برخورد کنند و نابود شوند، چه اتفاقی میافتد.
در این واکنش، الکترون و پوزیترون تولید میشود.
در گاز چگال CMZ، این ذرات کمانرژی بهسرعت انرژی خود را از دست میدهند و با جدا کردن الکترونها، مولکولهای هیدروژن اطراف را بهشدت یونیده میکنند.
از آنجا که منطقه بسیار چگال است، این ذرات نمیتوانند فاصلهی زیادی طی کنند و بیشتر انرژی خود را در همان نزدیکی آزاد میکنند — درست همان چیزی که در الگوی مشاهدهشدهی یونش میبینیم.
با استفاده از شبیهسازیهای دقیق، ما نشان دادیم که این فرایند ساده — یعنی نابودی ماده تاریک به الکترون و پوزیترون — میتواند نرخ یونش مشاهدهشده در CMZ را بهخوبی توضیح دهد.
نکتهی مهمتر این است که ویژگیهای موردنیاز ماده تاریک در این مدل، با دادههای جهان اولیه ناسازگار نیست. به بیان دیگر، این نوع ماده تاریک میتواند یک گزینهی واقعی باشد.
معمای پوزیترون: کاوش در دنیای عجیب ذرات بنیادی
اگر ماده تاریک در CMZ باعث تولید پوزیترون میشود، این پادذرات سرانجام با الکترونهای محیط ترکیب شده و نابود میشوند — فرایندی که دقیقاً همان پرتو گامای ۵۱۱ keV را ایجاد میکند.
این ارتباط مستقیم میان یونش گاز و تابش پرتو گاما، نشانهی مهمی است.
(ناسا، JPL-Caltech / سوزان استولووی (SSC/Caltech) و همکاران)
ما دریافتیم که ماده تاریک نهتنها میتواند یونش را توضیح دهد، بلکه ممکن است بخشی از تابش ۵۱۱ keV را نیز بازتولید کند.
این یافتهی چشمگیر نشان میدهد که شاید هر دو سیگنال از یک منبع مشترک — یعنی ماده تاریک سبک — سرچشمه میگیرند.
البته شدت دقیق این تابش به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله اینکه پوزیترونها تا چه حد با الکترونها پیوند تشکیل میدهند و کجا نابود میشوند. این جزئیات هنوز مبهم هستند.
راهی تازه برای آزمودن نادیدنیها
چه این دو پدیده منشأ مشترک داشته باشند یا نه، نرخ یونش در CMZ اکنون بهعنوان یک نشانهی جدید و ارزشمند برای بررسی ماده تاریک مطرح است — بهویژه برای مدلهایی که شامل ذرات سبک ماده تاریک هستند؛ ذراتی که در آزمایشهای سنتی قابل آشکارسازی نیستند.
در این مطالعه نشان دادیم که الگوی پیشبینیشدهی یونش از سوی ماده تاریک، در سراسر CMZ بهطور چشمگیری یکنواخت است — درست مانند آنچه واقعاً مشاهده شده.
منابع نقطهای مانند سیاهچالهی مرکزی یا پرتوهای کیهانی ناشی از انفجار ستارگان بهسختی میتوانند چنین الگویی را تولید کنند. اما هالهای یکنواخت از ماده تاریک میتواند.
یافتههای ما نشان میدهند که مرکز کهکشان راهشیری ممکن است سرنخهایی تازه از ماهیت بنیادی ماده تاریک در خود نهفته داشته باشد.
در آینده، تلسکوپهایی با وضوح بالاتر میتوانند اطلاعات بیشتری دربارهی توزیع فضایی و ارتباط بین تابش ۵۱۱ keV و نرخ یونش CMZ فراهم کنند.
در عین حال، رصدهای بیشتر از این ناحیه ممکن است به تقویت یا رد نظریهی ماده تاریک کمک کند.
در هر صورت، این سیگنالهای عجیب از قلب کهکشان به ما یادآوری میکنند که جهان هنوز پر از شگفتی است.
گاهی کافی است به درون نگاه کنیم — به مرکز پرتپش و درخشان کهکشان خودمان — تا سرنخهایی غیرمنتظره از آنچه فراتر از ماست، آشکار شوند.
— شایام بالاجی، پژوهشگر فوقدکترا در فیزیک، کالج سلطنتی لندن