چرخش سریع ستاره های مرده می تواند اسرار ماده تاریک را فاش کند

این تحقیق نور جدیدی را به ماهیت ماده تاریک و توزیع آن در کهکشان راه شیری می اندازد.

دانشمندان قصد دارند از ‘ساعت’ ستاره های مرده برای روشن کردن اسرارآمیزترین چیزهای جهان: انرژی تاریک استفاده کنند.

این زمان‌سنج‌ها در واقع تپ‌اخترها یا ستاره‌های نوترونی هستند که به سرعت در حال چرخش هستند، زمانی که ستارگانی با جرم حداقل هشت برابر خورشید می‌میرند، متولد می‌شوند. شرایط شدید ستارگان نوترونی آنها را به آزمایشگاه های ایده آلی برای مطالعه فیزیک در محیط هایی تبدیل می کند که در هیچ کجای جهان یافت نمی شوند.

به اصطلاح ‘تپ اخترهای میلی ثانیه ای’ می توانند صدها بار در ثانیه بچرخند و پرتوهای تابش الکترومغناطیسی از قطب های خود مانند فانوس های دریایی کیهانی را منفجر کنند که در سراسر فضا حرکت می کنند. این ستاره‌های نوترونی زمانی که در ابتدا مشاهده شدند، به نظر می‌رسیدند که در حال تپش هستند و هنگامی که پرتوهایشان مستقیماً به سمت زمین می‌رفتند، درخشندگی آن‌ها افزایش می‌یابد.

زمان‌بندی فوق‌العاده دقیق تغییر روشنایی تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه به این معنی است که می‌توان از آن‌ها به‌عنوان ساعت‌های کیهانی در «آرایه‌های زمان‌بندی تپ‌اختر» استفاده کرد. این آرایه‌ها به قدری دقیق هستند که می‌توانند اختلالات گرانشی را در بافت فضا و زمان اندازه‌گیری کنند، که به عنوان یک موجودیت چهار بعدی به نام «فضا زمان» متحد شده‌اند، که می‌تواند راه ایده‌آلی برای شکار ماده تاریک باشد.

جان لوسکو، محقق آرایه زمان‌بندی تپ‌اختر، از دانشگاه نوتردام، در بیانیه‌ای گفت: علم روش‌های بسیار دقیقی برای اندازه‌گیری زمان ایجاد کرده است. ما روی زمین ساعت های اتمی داریم و در فضا تپ اختر داریم.

فراخوانی زمان در مورد راز ماده تاریک

ماده تاریک بسیار اسرارآمیز است زیرا با نور یا با ماده معمولی برهمکنش نمی‌کند – یا اگر این کار را انجام می‌دهد بسیار ضعیف است و ما نمی‌توانیم آن را تشخیص دهیم. ‘ماده معمولی’ از اتم های متشکل از الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است که با نور و ماده تعامل دارند، بنابراین دانشمندان می دانند که ماده تاریک باید از ذرات دیگر ساخته شده باشد.

علیرغم اینکه ماده تاریک با نور برهمکنش ندارد، تأثیر گرانشی دارد و وقتی این تأثیر بر نور و در واقع ماده معمولی تأثیر بگذارد، می توان حضور آن را استنباط کرد.این اثر این تأثیر گرانشی بر نور است که LoSecco و همکارانش با استفاده از تپ اخترها قصد بهره برداری از آن را داشتند.

طبق نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین، اجسام دارای جرم، ساختار فضازمان را منحنی می کنند و گرانش از این انحنا ناشی می شود. وقتی نور از این انحنا می گذرد، مسیر آن نیز منحرف می شود. این می تواند زمان سفر نور را تغییر دهد، و باعث شود نور از همان جسم دور در زمان های مختلف به زمین برسد، در تئوری، آن را ‘کاهش’ می کند (سرعت نور در واقع تغییر نمی کند، این فاصله ای است که طی می کند تغییر می کند. )

ماده تاریک جرم دارد، و بنابراین، غلظت این شکل مرموز ماده می تواند فضازمان را نیز منحرف کند. بنابراین، مسیر نور از اجسام دور منحنی است و زمان رسیدن آن با عبور از غلظت ماده تاریک به تأخیر می افتد. این اثر «عدسی گرانشی» نامیده می‌شود که جسم میان‌جنگی مسیر نور را تغییر می‌دهد که «عدسی گرانشی» نامیده می‌شود.

LoSecco و همکارانش داده‌های جمع‌آوری‌شده از ۶۵ تپ‌اختر در آرایه زمان‌بندی Parkes Pulsar را بررسی کردند. آن‌ها حدود ۱۲ حادثه را مشاهده کردند که نشان‌دهنده تغییرات و تأخیر در زمان‌بندی تپ‌اخترها بود، که معمولاً دقت نانوثانیه‌ای دارند.

این نشان می‌دهد که پرتوهای امواج رادیویی از این فانوس‌های کیهانی ستاره‌های مرده در حال حرکت در اطراف یک پیچ و تاب در فضا هستند که ناشی از غلظت نامرئی جرم در جایی بین تپ‌اختر و تلسکوپ است. این تیم تئوری می‌کند که این توده‌های نامرئی کاندیدای «توده‌های ماده تاریک» هستند.

LoSecco گفت: ‘ما از این واقعیت استفاده می کنیم که زمین در حال حرکت است، خورشید در حال حرکت است، تپ اختر در حال حرکت است و حتی ماده تاریک در حال حرکت است.’ ما انحرافات را در زمان رسیدن مشاهده می‌کنیم که ناشی از تغییر فاصله بین جرمی که مشاهده می‌کنیم و خط دید به تپ‌اختر «ساعت»مان است.

انحرافات مشاهده شده توسط تیم کاملاً ناچیز است. برای نشان دادن این موضوع، جسمی با جرم خورشید باعث تاخیر در امواج رادیویی تپ اختری در حدود ۱۰ میکروثانیه می شود. انحرافات تاخیر ماده تاریک پیشنهادی که توسط تیم مشاهده شده است ۱۰۰۰۰ برابر کوچکتر از آن است.

پروفسور LoSecco گفت: یکی از یافته‌ها حاکی از اعوجاج حدود ۲۰ درصد از جرم خورشید است. این جسم می تواند کاندیدای ماده تاریک باشد.

یکی از عوارض جانبی تحقیقات این تیم، بهبود دقت داده‌های آرایه زمان‌بندی Pulsar Parkes است که برای جستجوی شواهدی از تابش گرانشی فرکانس پایین جمع‌آوری شده است.

توده های ماده تاریک می توانند تداخل یا ‘نویز’ را به این داده ها اضافه کنند. شناسایی و حذف آن نویز به دانشمندان کمک می کند تا از این مجموعه نمونه در جستجوی امواج با فرکانس پایین در فضازمان به نام امواج گرانشی استفاده کنند. این می‌تواند تشخیص تابش گرانشی از ادغام‌های دوردست‌تر و در نتیجه پیش‌تر سیاه‌چاله‌ها را امکان‌پذیر کند – و شاید حتی امواج گرانشی اولیه پس‌زمینه‌ای که از انفجار بزرگ باقی مانده‌اند.

لوسکو گفت: ماهیت واقعی ماده تاریک یک راز است. این تحقیق نور جدیدی را بر ماهیت ماده تاریک و توزیع آن در کهکشان راه شیری می اندازد و همچنین ممکن است دقت داده های دقیق تپ اختر را بهبود بخشد.

نتایج این تیم در نشست ملی نجوم (NAM) ۲۰۲۴ در دانشگاه هال در روز دوشنبه (۲۵ تیر) ارائه شد.