این پدیده خواب را از چشم فیزیک‌دانان ذرات گرفته و کیهان‌شناسان را به شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای وابسته کرده است. ما می‌دانیم ماده تاریک واقعی است، چون جرم آن مانع از فروپاشی کهکشان‌ها می‌شود. اما هنوز نمی‌دانیم دقیقاً چیست.
ماده تاریک با ماده عادی (باریونی) ارتباطی ندارد و شاید ترجیح دهد فقط با خودش تعامل داشته باشد. گرچه به نظر نمی‌رسد با ماده معمولی واکنشی نشان دهد، اما ممکن است با خودش واکنش داده و نابود شود. این فرایند به محیطی با تراکم بالا نیاز دارد و همین موضوع شاید راهی برای آشکارسازی آن در اختیار اخترفیزیک‌دانان قرار دهد.
تحقیقات نظری جدید توضیح می‌دهد که چگونه این پدیده ممکن است رخ دهد و بیان می‌کند که اجرام زیرستاره‌ای — در اصل کوتوله‌های قهوه‌ای — می‌توانند میزبان این فرایند باشند. این پژوهش با عنوان «کوتوله‌های تاریک: اجرام زیرستاره‌ایِ تغذیه‌شده از ماده تاریک که در انتظار کشف در مرکز کهکشان‌اند» در نشریه Journal of Cosmology and Astroparticle Physics منتشر شده است. نویسنده اصلی مقاله، دجونا کرون، فیزیک‌دان نظری و استاد یار در مؤسسه پدیدارشناسی فیزیک ذرات در دانشگاه دورهام است.
کوتوله‌های قهوه‌ای اجرامی زیرستاره‌ای‌اند که از سیارات بزرگ‌ترند اما آن‌قدر جرم ندارند که همجوشی هیدروژن را آغاز کنند. فرایند شکل‌گیری آن‌ها مانند ستاره‌هاست، اما در میانه راه رشد آن‌ها متوقف می‌شود و هرگز به جرم کافی برای آغاز همجوشی نمی‌رسند. آن‌ها کمی گرما از طریق همجوشی موقت دوتریوم و انقباض گرانشی تولید می‌کنند، اما هرگز مانند ستاره‌ها نمی‌درخشند. از نظر درخشندگی، از کوتوله‌های سفید کم‌نورتر و از سیاره‌های گازی مانند مشتری اندکی پرنورترند. با گذر زمان، سردتر و کم‌نورتر می‌شوند، و به‌دلیل جرم و نور پایین، شناسایی آن‌ها بسیار دشوار است.
اعتبار تصویر:
مشتری: ناسا، آژانس فضایی اروپا (ESA)، و ای. سیمون (ناسا، مرکز پروازهای فضایی گادارد)
خورشید و ستاره کم‌جرم: ناسا، رصدخانه دینامیک خورشیدی (SDO)
کوتوله قهوه‌ای: ناسا، ESA، و JPL-کلتک
زمین: ناسا
اینفوگرافی: ناسا و ای. ویتلی (مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی – STScI)
کرون و همکارانش پیشنهاد می‌کنند که نابودی ماده تاریک می‌تواند برخی از این کوتوله‌های قهوه‌ای را قابل شناسایی کند. ذرات ماده تاریک ممکن است خودشان پادذره نیز باشند و در صورت تراکم بالا، یکدیگر را نابود کرده و طبق معادله معروف E=mc2E=mc^2E=mc2 جرمشان را به انرژی تبدیل کنند و ذراتی از مدل استاندارد (مثل فوتون، الکترون و پوزیترون) تولید کنند.
به گفته جرمی سکستین، یکی از نویسندگان مقاله و استاد فیزیک در دانشگاه هاوایی:
«ماده تاریک از طریق گرانش با اجرام تعامل دارد، بنابراین می‌تواند توسط ستارگان به دام افتاده و درون آن‌ها جمع شود. اگر این اتفاق بیفتد، ممکن است با خودش نیز واکنش داده و با آزادسازی انرژی، ستاره را گرم کند.»
در مرکز کهکشان ماده تاریک بیشتری وجود دارد، و نویسندگان معتقدند در این ناحیه مقدار کافی از آن می‌تواند در کوتوله‌های قهوه‌ای جمع شود تا نابودی ماده تاریک رخ دهد. در این حالت، نوعی جدید از اجرام زیرستاره‌ای شکل می‌گیرد: «کوتوله‌های تاریک».
پژوهشگران در مقاله خود می‌نویسند: «بنابراین، با داشتن جرم مشاهده‌شده و سن تخمینی، شناسایی طیفی لیتیوم می‌تواند نشانه‌ای برای گرمایش ناشی از ماده تاریک باشد.»
اعتبار تصویر: Croon و همکاران، ۲۰۲۵. نشریه کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات اختر
سکستین توضیح می‌دهد:
«این اجرام، ماده تاریکی را جمع‌آوری می‌کنند که به آن‌ها کمک می‌کند به کوتوله‌های تاریک تبدیل شوند. هرچه ماده تاریک بیشتری در اطراف باشد، بیشتر جذب می‌شود — و هرچه ماده تاریک بیشتری درون ستاره قرار گیرد، انرژی بیشتری از طریق نابودی آن آزاد می‌شود.»
برای ماده تاریک، ذرات پیشنهادی مختلفی مطرح شده‌اند؛ یکی از آن‌ها ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف یا WIMPs هستند. این مدل نظری تنها در صورتی معتبر است که ماده تاریک واقعاً از WIMPها تشکیل شده باشد. سکستین می‌گوید:
«برای وجود داشتن کوتوله‌های تاریک، ماده تاریک باید از WIMPها یا ذرات سنگین مشابهی تشکیل شده باشد که بتوانند با خودشان واکنش دهند و ماده مرئی تولید کنند.»
به گفته او:
«مشاهده یک کوتوله تاریک نمی‌تواند به‌طور قطعی ثابت کند که ماده تاریک یک WIMP است، اما به این معناست که یا WIMP است یا چیزی که عملاً مانند آن رفتار می‌کند.»
اگر بتوانیم این کوتوله‌های تاریک را شناسایی کنیم، در واقع موفق به شناسایی ماده تاریک شده‌ایم. این شناسایی بر پایه لیتیوم-۷ انجام می‌شود؛ ایزوتوپی طبیعی از لیتیوم که پایدارترین و فراوان‌ترین نوع آن است. کوتوله‌های قهوه‌ای معمولی لیتیوم-۷ خود را مصرف می‌کنند، اما کوتوله‌های تاریک آن را حفظ می‌کنند.
نویسندگان مقاله می‌نویسند:
«کوتوله‌های تاریک از نظر فیزیکی در چندین ویژگی با کوتوله‌های قهوه‌ای یا قرمز تفاوت دارند. آن‌ها کمی پرجرم‌ترند و منبع اصلی انرژی‌شان نابودی ماده تاریک است، به‌علاوه سهمی از همجوشی پایدار هیدروژن. درخشندگی، شعاع و دمای مؤثر آن‌ها در طول زمان ثابت باقی می‌ماند. همچنین این اجرام لیتیوم خود را حفظ می‌کنند، در حالی که لیتیوم در کوتوله‌های قهوه‌ای با سوخت هسته‌ای از بین می‌رود.»
آن‌ها همچنین می‌افزایند:
«آزمایش لیتیوم روش اصلی برای تأیید اینکه یک جرم، کوتوله قهوه‌ای است، محسوب می‌شود.» اخترشناسان با بررسی خطوط لیتیوم در طیف نوری ستاره‌ها، تاریخچه دمایی هسته آن‌ها را دنبال کرده و مرحله تکاملی‌شان را تعیین می‌کنند.
در مقاله آمده:
«کشف لیتیوم-۷ در اجرامی با جرم بیشتر از حد سوختن لیتیوم، شواهدی از وجود گرمایش ناشی از ماده تاریک ارائه می‌دهد. این بدین معناست که کوتوله‌های تاریک را می‌توان با فراوانی بالای لیتیوم، با وجود جرم نسبتاً بالا و سن زیاد، شناسایی کرد. همچنین نشان داده شده که مقدار لیتیوم حفظ‌شده در طول زمان، تابعی از جرم و چگالی ماده تاریک است.»
سکستین توضیح می‌دهد:
«چندین نشانه وجود داشت، اما ما لیتیوم-۷ را پیشنهاد دادیم چون اثر منحصربه‌فردی دارد. ستاره‌های معمولی خیلی زود لیتیوم-۷ را مصرف می‌کنند. بنابراین اگر جرمی را بیابید که شبیه به یک کوتوله تاریک باشد، می‌توانید به دنبال حضور لیتیوم در آن بگردید — چون اگر یک کوتوله قهوه‌ای یا جرم مشابه باشد، نباید لیتیوم در آن باقی مانده باشد.»
کوتوله‌های تاریک اجرامی بسیار سرد هستند، و گرچه تلسکوپ جیمز وب (JWST) ممکن است توانایی رصد آن‌ها را داشته باشد، سکستین راه دیگری را نیز مطرح می‌کند:
راه دیگر این است که مجموعه‌ای از اجرام را به‌صورت آماری بررسی کنیم و ببینیم آیا بهتر است آن‌ها را به‌صورت جمعیتی شامل زیرگروهی از کوتوله‌های تاریک در نظر بگیریم یا نه.
یافتن کوتوله‌های تاریک گامی بلند در پاسخ به پرسش درباره ماهیت ماده تاریک خواهد بود. اگر بتوانیم تعدادی از آن‌ها را شناسایی کنیم، فرضیه WIMP بودن ماده تاریک تقویت می‌شود.
سکستین در پایان می‌گوید:
در مورد نامزدهای سبک‌تر برای ماده تاریک — مثل اکسیون‌ها — بعید است بتوانید چیزی مانند یک کوتوله تاریک به‌دست آورید. این ذرات داخل ستاره‌ها تجمع نمی‌یابند. بنابراین اگر بتوانیم یک کوتوله تاریک را پیدا کنیم، شواهدی قوی به‌دست می‌آوریم که ماده تاریک سنگین است، به‌شدت با خودش تعامل دارد، اما تنها به‌صورت ضعیف با مدل استاندارد تعامل دارد. این ویژگی شامل WIMPها می‌شود، اما برخی مدل‌های عجیب دیگر را نیز در بر می‌گیرد.
و بار دیگر تأکید می‌کند:
«مشاهده یک کوتوله تاریک لزوماً اثبات نمی‌کند که ماده تاریک یک WIMP است، اما نشان می‌دهد که یا WIMP است یا چیزی که در عمل همان‌گونه رفتار می‌کند.»
