در زمان وقوع ابرنواختری نزدیک، هر تلسکوپ پرتو گامایی که در جهت مناسب قرار گرفته باشد، ممکن است بیش از یک نمایش نوری ساده دریافت کند – بلکه میتواند به سرعت وجود یکی از امیدوارکنندهترین ذرات ماده تاریک، یعنی اکسیونها، را تأیید کند.
اخترفیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا در برکلی پیشبینی کردهاند که در طی ۱۰ ثانیه اول یک ابرنواختر، ذرات فرضی کافی به نام اکسیون منتشر میشوند که وجود آنها را تقریباً بلافاصله اثبات میکند.
با توجه به اینکه از طریق روشهای دیگر ممکن است سالها طول بکشد تا به نتیجهای قانعکننده برسیم، کشف ناگهانی اکسیونها در فروپاشی ستارهای نزدیک، مانند بردن لاتاری فیزیک خواهد بود.
البته، این کشف نیازمند آن است که تلسکوپی پرتو گامایی در زمان مناسب و در محل وقوع چنین انفجاری حضور داشته باشد. در حال حاضر، این مسئولیت تنها بر عهده تلسکوپ فضایی فرمی است که حتی آن هم تنها ۱ به ۱۰ شانس دیدن چنین رویدادی را دارد.
از این رو، پژوهشگران پیشنهاد میکنند که ابزار جدیدی به نام GALactic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS) ساخته شود – مجموعهای از ماهوارههای پرتو گاما که میتوانند به طور دائم ۱۰۰ درصد آسمان را رصد کنند. چه اکسیونها در طول یک ابرنواختر شناسایی شوند و چه نشوند، هر دو نتیجه به همان اندازه ارزشمند خواهند بود، اما زمان محدودی داریم.
بنجامین سافدی، دانشیار فیزیک در دانشگاه برکلی، میگوید:
«فکر میکنم همه ما در این مقاله نگرانیم که ابرنواختری قبل از آماده شدن تجهیزات مناسب رخ دهد.
بسیار ناراحتکننده خواهد بود اگر ابرنواختری فردا اتفاق بیفتد و ما فرصتی برای شناسایی اکسیون از دست بدهیم – چرا که ممکن است چنین فرصتی تا ۵۰ سال دیگر تکرار نشود.»
اکسیونها اولین بار در دهه ۱۳۴۸ بهعنوان راهحلی برای مسئلهای در فیزیک به نام مشکل CP قوی مطرح شدند که ربطی به ماده تاریک نداشت. پیشبینی شده که این ذرات جرمی بسیار ناچیز، بدون بار الکتریکی و به طرز شگفتآوری در سراسر جهان فراوان هستند.
بعدها فیزیکدانان دریافتند که برخی از ویژگیهای اکسیونها – مانند نحوه تجمع آنها و تعامل بیشتر با ماده از طریق گرانش – آنها را به نامزدی مناسب برای ماده تاریک تبدیل میکند. مهمتر از همه، یکی از ویژگیهای پیشبینیشده میتواند آنها را قابل شناسایی کند.
در میدانهای مغناطیسی قوی، اکسیونها گاهی به فوتونها تبدیل میشوند، بنابراین شناسایی نور اضافی در نزدیکی این میدانها میتواند نشانهای از حضور آنها باشد. این مبنا برای دههها آزمایشهای آزمایشگاهی و مشاهدات نجومی بوده است و به دانشمندان کمک کرده دامنه جرمی احتمالی اکسیونها را محدود کنند.
ستارههای نوترونی یکی از امیدوارکنندهترین مکانها برای جستجوی آنها هستند. فیزیک شدید این ستارهها باید مقادیر عظیمی از اکسیونها تولید کند و میدانهای مغناطیسی قوی آنها نیز باید برخی از این اکسیونها را به فوتونهای قابلشناسایی تبدیل کند.
در مقالهای جدید، تیم دانشگاه برکلی محاسبه کرده که بهترین زمان برای یافتن اکسیونها در اطراف یک ستاره نوترونی، احتمالاً لحظه تولد آن است – زمانی که یک ستاره بزرگ بهصورت ابرنواختر منفجر میشود. شبیهسازیهای جدید نشان میدهند که در طی ۱۰ ثانیه اول پس از فروپاشی ستاره، انفجاری از اکسیونها تولید میشود و پرتوهای گامای حاصل میتوانند جزئیات زیادی را آشکار کنند.
این تیم محاسبه کرده که نوع خاصی از اکسیون به نام اکسیونهای QCD (کرومودینامیک کوانتومی) از این طریق قابلشناسایی هستند، اگر جرمی بیش از ۵۰ میکرو الکترونولت داشته باشند، که فقط یک ده میلیاردیم جرم یک الکترون است.
اگر اکسیونها وجود داشته باشند، ممکن است به یکی از ذرات بسیار مفید تبدیل شوند که تاکنون کشف شدهاند. تنها در یک مرحله میتوانند به ما در حل ماده تاریک، مشکل CP قوی، نظریه ریسمان و عدم تعادل ماده/پادماده کمک کنند.
فرضیه آماده آزمایش است – حالا فقط باید منتظر ابرنواختری نزدیک باشیم. این ابرنواختر ممکن است همین امروز رخ دهد یا دههای دیگر، و اگر تلسکوپ فرمی در جهت مناسب نگاه کند، میتوانیم برخی از عمیقترین سوالات علمی را در عرض چند ثانیه پاسخ دهیم.
سافدی میگوید:
«بهترین حالت برای اکسیونها این است که فرمی یک ابرنواختر را ببیند. احتمال آن کم است. اما اگر فرمی چنین رویدادی را مشاهده کند، ما میتوانیم جرم، قدرت تعامل، و همه ویژگیهای لازم اکسیون را تعیین کنیم. همچنین میتوانیم به اطمینان بالایی در مورد سیگنال برسیم، چرا که هیچ ماده عادی نمیتواند چنین رویدادی را ایجاد کند.»
