«بهترین حالت برای شناسایی آکسیون‌ها این است که فرمی یک ابرنواختر را شناسایی کند. مشکل اینجاست که احتمال وقوع این اتفاق کم است.»
اشعه گامایی که از ستارگان نوترونی در قلب انفجارهای ابرنواختری به وجود می‌آید، می‌تواند راز ماده تاریک را حل کند؛ البته تنها در صورتی که ماده تاریک از آکسیون‌ها تشکیل شده باشد. آکسیون‌ها ذرات فرضی با جرم بسیار کم هستند که در حال حاضر اصلی‌ترین نامزد برای توضیح ماده تاریک به شمار می‌روند.
تیمی از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی که پشت این نظریه قرار دارد، معتقد است که اگر این ایده صحیح باشد، یک ابرنواختر که به اندازه کافی به زمین نزدیک باشد می‌تواند امکان شناسایی تابش‌های پرانرژی آن را فراهم کند، جرم آکسیون‌ها را تأیید کند و در نتیجه کل معمای ماده تاریک را حل کند.
برای این منظور، انفجار ابرنواختری باید از ستاره‌ای عظیم ناشی شود که در کهکشان راه شیری یا یکی از کهکشان‌های اقماری آن، مانند ابر ماژلانی بزرگ، رخ دهد. چنین رویدادهایی به طور متوسط هر چند دهه یک‌بار اتفاق می‌افتند؛ آخرین ابرنواختری که نزدیک به زمین رخ داده بود، ابرنواختر 1987A در ابر ماژلانی بزرگ در سال ۱۳۶۵ بود.
اگر محققان درست بگویند، جست‌وجوی ماده تاریک که دهه‌هاست اخترشناسان را به چالش کشیده است، ممکن است با اندکی شانس در آینده‌ای نزدیک حل شود.
شناسایی اشعه‌های گامای مشخص نیازمند آن است که تنها تلسکوپ فضایی اشعه گاما، یعنی تلسکوپ «فرمی»، هنگام وقوع انفجار، به سمت ابرنواختر نزدیک نشانه‌گیری شده باشد. با توجه به میدان دید فرمی، احتمال این اتفاق ۱ در ۱۰ است.
تیم تحقیقاتی بر این باور است که تنها یک شناسایی اشعه گاما از ستاره نوترونی در مرکز بقایای ابرنواختر برای تعیین جرم آکسیون از میان طیف گسترده‌ای از جرم‌های نظری این ذرات فرضی کافی است. این تیم به ویژه به شناسایی نوعی از آکسیون به نام «آکسیون QCD» علاقه‌مند است. بر خلاف دیگر آکسیون‌های فرضی، جرم آکسیون QCD به دما وابسته است.
«اگر بتوانیم ابرنواختری مانند ابرنواختر 1987A را با یک تلسکوپ مدرن اشعه گاما مشاهده کنیم، می‌توانیم این آکسیون QCD را شناسایی یا آن را رد کنیم»، بنجامین سافدی، نویسنده اصلی تحقیق و استاد فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، در بیانیه‌ای گفت. «و همه این کارها در عرض ۱۰ ثانیه انجام می‌شود.»
چرا اشعه گاما؟
ماده تاریک مشکلی دشوار برای دانشمندان است زیرا نسبت به ذرات ماده «معمولی» در جهان، پنج برابر بیشتر است. این اهمیت دارد زیرا هر ستاره، ابر غبار کیهانی، ماه، سیارک، سیاره، انسان، حیوان و هر جسم بی‌جانی که در زندگی ما وجود دارد از ماده معمولی تشکیل شده است.
ماده تاریک همچنین مسئله‌ای پیچیده است، زیرا با نور تعامل ندارد — یا اگر داشته باشد، این تعامل بسیار ضعیف است که نمی‌توانیم آن را ببینیم. همین موضوع ماده تاریک را عملاً نامرئی می‌کند. در حالی که جست‌وجوی ذراتی که می‌توانند ماده تاریک را تشکیل دهند ادامه داشته است، آکسیون‌ها به عنوان اصلی‌ترین نامزدها ظاهر شده‌اند.
«به نظر می‌رسد تقریباً غیرممکن است که نظریه‌ای منسجم از گرانش همراه با مکانیک کوانتومی وجود داشته باشد که ذراتی مانند آکسیون‌ها نداشته باشد»، سافدی توضیح داد.
در حالی که بسیاری از آزمایش‌های زمینی تلاش کرده‌اند وجود آکسیون‌ها را تأیید کنند، برخی دانشمندان توجه خود را به ستارگان بسیار افراطی کیهان، یعنی ستارگان نوترونی، معطوف کرده‌اند و معتقدند که این ستارگان می‌توانند این ذرات فرضی را در خود جای دهند.
ستارگان نوترونی زمانی شکل می‌گیرند که ستارگان عظیم سوخت موردنیاز برای همجوشی هسته‌ای را در هسته‌های خود از دست می‌دهند و فشار تابش خارجی که برای میلیاردها سال تولید می‌کرده‌اند، متوقف می‌شود. این بدان معناست که دیگر نمی‌توانند خود را در برابر فشار گرانش درونی‌شان حفظ کنند.
وقتی هسته‌هایشان به‌سرعت فرو می‌ریزد، موج‌های ضربه‌ای به لایه‌های بالایی این ستارگان عظیم گسیل می‌شوند و ابرنواخترهایی را ایجاد می‌کنند که بیشتر جرم این ستارگان را به بیرون می‌رانند. نتیجه این فرایند، ستارگان نوترونی با جرمی بین یک تا دو برابر خورشید و عرضی حدود ۲۰ کیلومتر است.
دانشمندان پیشنهاد کرده‌اند که باید به دنبال آکسیون‌هایی باشند که درون ستارگان نوترونی بلافاصله پس از انفجار ابرنواختری که آن‌ها را به وجود آورده، شکل گرفته‌اند. این تلاش عمدتاً بر آکسیون‌هایی متمرکز بوده است که به‌تدریج فوتون‌هایی (ذرات بنیادی نور) از اشعه گاما تولید می‌کنند وقتی با میدان‌های مغناطیسی اطراف کهکشان‌ها برخورد می‌کنند.
سافدی و همکارانش نظریه‌پردازی کردند که این فرایند در تولید اشعه گاما چندان کارآمد نیست، حداقل در مقادیری که بتوان از زمین شناسایی کرد. بنابراین، آن‌ها تمرکز خود را به یک فرایند کیهانی مشابه تغییر دادند که این بار در میدان‌های مغناطیسی قدرتمند اطراف خود ستارگان نوترونی رخ می‌دهد. آن‌ها دریافتند که این منطقه ممکن است به‌طور مؤثری باعث فورانی از اشعه گاما شود که با جرم آکسیون‌ها همخوانی دارد و هم‌زمان با فوران «ذرات شبح‌مانند»، یعنی نوترینوها، از مرکز ستاره نوترونی مذکور باشد.
این فوران آکسیون تنها ۱۰ ثانیه پس از شکل‌گیری ستاره نوترونی دوام خواهد داشت، زیرا نرخ تولید این ذرات فرضی به‌شدت ساعت‌ها پیش از انفجار لایه‌های بیرونی ستاره کاهش می‌یابد.
