هنگامی که هسته ستاره به درون یک سیاهچاله فرو ریخت، فوران اشعه گامای منتشر شده از ستاره – با نام GRB 221009A – با انرژی‌هایی تا ۱۸ تراالکترون‌ولت رخ داد. انفجارهای اشعه گاما به‌طور کلی درخشان‌ترین انفجارهایی هستند که جهان می‌تواند ایجاد کند؛ اما GRB 221009A به‌طور بی‌سابقه‌ای رکوردها را شکست و به همین دلیل لقب “درخشان‌ترین در تاریخ” یا BOAT (Brightest Of All Time) را دریافت کرد.
با این حال، تیمی از اخترفیزیکدانان به سرپرستی جورجو گالانتی از مؤسسه ملی اخترفیزیک ایتالیا (INAF) به نکته‌ای عجیب در این ماجرا اشاره کرده‌اند. بر اساس مدل‌های پیشرفته جهان، فوتون‌هایی با انرژی بالاتر از ۱۰ تراالکترون‌ولت نباید در داده‌های رصدخانه LHAASO (رصدخانه بارش هوای ارتفاع بالا) که این رویداد را شناسایی کرده است، دیده شوند.
این فوتون‌های پرانرژی در فاصله ۲.۴ میلیارد سال نوری از زمین باید به‌شدت توسط تعامل با سایر فوتون‌های بسیار قدرتمند در نور ضعیف میان‌کهکشانی (که به نور زمینه برون‌کهکشانی مشهور است) جذب شوند.
اما چه چیزی این تناقض را توضیح می‌دهد؟ همه این پیچیدگی‌ها با ورود ذرات شبیه اکسیون – یکی از نامزدهای اصلی ماده تاریک که بیشتر جرم جهان را تشکیل می‌دهد و توسط نظریه ریسمان پیش‌بینی شده است – برطرف می‌شود.
تحلیل جدید این تیم در کنفرانس “Rencontres de Moriond” در اسفند ۱۴۰۲ ارائه شده و هم‌اکنون در پایگاه پیش‌چاپ arXiv در دسترس است.
این تیم در مقاله خود می‌نویسد:
«ما نشان می‌دهیم که این مسئله با معرفی تعامل فوتون‌ها با ذرات شبیه اکسیون (ALPs) حل می‌شود. اکسیون‌ها توسط نظریه ریسمان پیش‌بینی شده‌اند و از بهترین نامزدها برای ماده تاریک به شمار می‌روند. این ذرات می‌توانند بر طیف و قطبش منابع اخترفیزیکی در حضور میدان‌های مغناطیسی خارجی تأثیر بگذارند.
به‌ویژه برای GRB 221009A، نوسانات بین فوتون‌ها و ذرات شبیه اکسیون در میان محیط‌های مغناطیسی متقاطع، از جمله کهکشان میزبان، فضای برون‌کهکشانی و کهکشان راه شیری رخ می‌دهند و جذب نور زمینه برون‌کهکشانی را تا حدی کاهش می‌دهند که توضیح‌دهنده تشخیص GRB 221009A توسط LHAASO و طیف مشاهده‌شده آن است.»
ماده تاریک یکی از بزرگ‌ترین رازهای جهان است. حتی با محاسبه تمام ماده معمولی – مانند ستارگان، گازها، سیاهچاله‌ها، کهکشان‌ها و هر چیزی که مستقیماً قابل شناسایی است – نیروی گرانشی باقی‌مانده همچنان بسیار بیشتر از آن چیزی است که ماده معمولی تولید می‌کند. حدود ۸۵ درصد جرم جهان را ماده تاریک تشکیل می‌دهد.
ما نمی‌دانیم ماده تاریک چیست، اما ذرات اکسیون یکی از نامزدهای اصلی برای آن هستند. این ذرات فرضی مشابه نوترینوها تصور می‌شوند، زیرا تعامل کمی با ماده معمولی دارند و به همین دلیل تشخیص آن‌ها دشوار است. با این حال، پیش‌بینی می‌شود که آن‌ها رفتار مشابه ماده تاریک داشته باشند؛ به همین دلیل اخترفیزیکدانان به دنبال شواهدی برای وجود آن‌ها هستند.
گالانتی و همکارانش پیش‌تر شواهدی از ذرات شبیه اکسیون در نور بلازارهای دوردست – کهکشان‌هایی بسیار فعال و پرنور – پیدا کرده بودند. اما درخشان‌ترین انفجار اشعه گاما که تاکنون دیده شده است، فرصتی جدید برای مطالعه این ذرات فراهم کرد.
بر اساس مدل‌های جدید نور زمینه برون‌کهکشانی، فوتون‌های گامای پرانرژی که مسافت‌های طولانی را طی می‌کنند، باید به‌قدری با این نور تعامل داشته باشند که به ما نرسند. اما بر اساس محاسبات این پژوهشگران، تعامل فوتون‌ها و اکسیون‌ها می‌تواند فضای میان‌کهکشانی را برای نور پرانرژی شفاف‌تر کند.
بنابراین، تشخیص فوتون‌ها با انرژی تا ۱۸ تراالکترون‌ولت توسط LHAASO می‌تواند نخستین شواهد غیرمستقیم از وجود اکسیون‌ها باشد.
این نتیجه نیاز به بررسی‌های بیشتر دارد، به‌ویژه که برخی جستجوهای دیگر به نتیجه‌ای نرسیده‌اند. اما مکان‌های دیگری برای بررسی وجود دارد؛ به‌ویژه ستارگان نوترونی ممکن است اکسیون‌ها را با نرخ بالایی تولید کنند.
ما بالاخره آن را خواهیم یافت.
تحقیقات این تیم در پایگاه arXiv در دسترس است.
