المادة المظلمة يمكن أن تكون مصدرًا لأشعة جاما القادمة من مركز درب التبانة

Send

هناك الكثير من الأحداث الغامضة في مركز درب التبانة. الثقب الأسود الهائل الموجود هناك هو الأهم بينهم. ولكن هناك لغز آخر مثير للاهتمام هناك: منطقة كروية غير متوقعة من انبعاثات أشعة غاما المكثفة.

تشير دراسة جديدة إلى أن المادة المظلمة يمكن أن تكون وراء تلك الانبعاثات.

هناك الكثير من مصادر أشعة جاما في الكون ، ومعظمها مفهومة جيدًا. تنتج النجوم النابضة والمغناطيسية والكوازارات أشعة غاما. ولكن هل يمكن أن تفسر أشعة غاما القادمة من مركز مجرتنا؟

أشعة جاما قوية. إنها شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي المخترق الذي تنتجه أكثر الظواهر نشاطًا في الكون. لديهم أقصر موجات من أي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وأعلى طاقة الفوتون.

فائض أشعة جاما في قلب درب التبانة معروف للفيزيائيين ، ويسمونه فائض مركز المجرة (GCE). نعرف الكثير عن درب التبانة ، وهذه المعرفة ضيقت تفسيرات GCE إلى احتمالان رئيسيان: إما مجموعة من النجوم النابضة ، والتي تدور بسرعة نجوم نيوترونية ، أو مادة مظلمة. يعتقد الفيزيائيون أنه إذا كانت مادة مظلمة ، فإنها توجد في سحابة كثيفة في مركز المجرة ، تتصادم مع نفسها وتبيد نفسها لإنتاج أشعة جاما.

في عام 2015 ، أظهرت دراسة أن مصدر GCE كان في الواقع نبضات ، ولم تكن المادة المظلمة متورطة. جاءت هذه الدراسة من فريق من الباحثين من برينستون ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بما في ذلك أستاذ الفيزياء المشارك تريسي سلاتير. استخدموا ملاحظات مركز المجرة المأخوذة مع تلسكوب Fermi أشعة غاما الفضائية مع نموذج يصف جميع التفاعلات في درب التبانة التي يمكن أن تنتج أشعة غاما. وخلصوا إلى أن النجوم النابضة مسؤولة.

ولكن يبدو أن دراسة جديدة ، شملت أيضًا Slatyer من MIT ، قد قلبت هذه النتائج ، وأشارت إلى المادة المظلمة كمصدر لجميع أشعة غاما.

الدراسة الجديدة تحمل عنوان "إحياء فرضية المادة المظلمة لمركز المجرة الزائدة لأشعة جاما" ونشرت في رسائل المراجعة الفيزيائية. المؤلفان تريسي سلاتير من مركز الفيزياء النظرية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وريبيكا لين من كلية العلوم الطبيعية ، معهد الدراسات المتقدمة. تقول دراستهم أن هناك مشكلة مع المشكلة السابقة ، ونتائجها غير موثوقة. كان يمكن للمساهمة في المادة المظلمة في الحملة العالمية للتعليم أن تمر دون أن يلاحظها أحد.

إن صعوبة تضييق GCE إما إلى النجوم النابضة أو المادة المظلمة تعود إلى الطريقة التي تنبعث بها الفوتونات ، وقدرتنا التكنولوجية على اكتشافها. ستكون أشعة غاما من المادة المظلمة منتشرة ، في حين أن تلك من النجوم النابضة ستكون مصادر نقطة أكثر تركيزًا. في عام 2015 ، بدت جميع أشعة غاما منتشرة ، ولكن قد يكون ذلك لأن المصادر النقطية تبدو منتشرة لتلسكوباتنا ، والتي لها دقة مكانية محدودة. في عام 2015 ، خلص الباحثون إلى أن النجوم النابضة كانت مسؤولة.

درب التبانة مسطح تقريبًا ، مع انتفاخ في المنتصف. تحتل أشعة غاما منطقة كروية في المركز يبلغ قطرها حوالي 5000 سنة ضوئية. حاولت الطريقة التي طورتها Slatyer وزملاؤها في عام 2015 حل ما إذا كانت هذه المنطقة الكروية "سلسة" أو إذا كانت "محببة". كان سببهم هو أنه إذا كانت النجوم النابضة مصدرًا لأشعة غاما ، فيجب أن تجعل أشعة غاما تلك المنطقة الكروية تبدو محببة. ستكون هناك فجوات مظلمة بين أشعة جاما حيث لا توجد مصادر نابضة.

ولكن إذا جاءت أشعة غاما من المادة المظلمة ، فستكون المنطقة الكروية سلسة. وأوضح سلاتير "كل خط نظر باتجاه مركز المجرة ربما يحتوي على جزيئات المادة المظلمة ، لذلك لا ينبغي أن أرى أي فجوات أو بقع باردة في الإشارة".

لقد طوروا نموذجًا يراعي كل المادة والغاز في درب التبانة ، وكل تفاعلات الجسيمات التي يمكن أن تنتج أشعة جاما. ثم نظروا في نماذج للمنطقة الكروية من الحملة العالمية للتعليم كانت إما محببة أو ناعمة ، وطريقة إحصائية للتمييز بينهم. ثم أخذوا هذا النموذج وأطعموا ملاحظات Fermi Gamma-ray Space Telescope الفعلية فيه ، لمعرفة ما إذا كانت الملاحظات تتناسب مع ملف حبيبي أو سلس.

إذا كانت الملاحظات تتناسب مع ملف محبب ، فإن النجوم النابضة يمكن أن تفسر أشعة غاما. إذا كانت تتناسب مع ملف تعريف سلس ، فإن المادة المظلمة يمكن أن تشرحها. كان الملف الشخصي المحبب مناسبًا للغاية.

يتذكر سلاتيير ، "رأينا أنها كانت محببة بنسبة 100٪ ، ولذا قلنا ،" أوه ، المادة المظلمة لا يمكنها فعل ذلك ، لذا يجب أن تكون شيئًا آخر ". كان أملي أن تكون هذه أول دراسة من دراسات عديدة لمنطقة مركز المجرة باستخدام تقنيات مماثلة. ولكن بحلول عام 2018 ، كانت عمليات التدقيق الرئيسية للطريقة لا تزال هي تلك التي قمنا بها في عام 2015 ، مما جعلني متوترة جدًا لأننا ربما فاتنا شيئًا ما ".

في النهاية قرر Slatyer و Leane اختبار النموذج. كان Slatyer قلقًا من أنه قد لا يكون قويًا بما يكفي. قرروا إنشاء خريطة "وهمية" للسماء بما في ذلك إشارة المادة المظلمة والنجوم النابضة التي لم تكن مرتبطة بـ GCE. لقد أدخلوها في النموذج ، وعلى الرغم من أن بياناتهم تحتوي على إشارة زائفة من المادة المظلمة ، فقد خلص النموذج إلى أنها كانت محببة ، وبالتالي يهيمن عليها النجم النابض. وفقًا لـ Slatyer ، كان ذلك دليلاً على أن نموذجهم لم يكن مضمونًا ، وأنه لا يزال هناك مجال للعب المادة المظلمة دورًا في الحملة العالمية للتعليم.

"إذا كانت المادة مظلمة حقًا ، فسيكون هذا أول دليل على تفاعل المادة المظلمة مع المادة المرئية من خلال قوى أخرى غير الجاذبية."
ريبيكا لين ، مؤلفة مشاركة ، كلية العلوم الطبيعية ، معهد الدراسات المتقدمة.

ثم اقترح زميل أن يضيف الباحثون إشارة مادة مظلمة مزيفة مقترنة بملاحظات فيرمي حقيقية لاختبار نموذجهم ، بدلاً من خريطة خلفية مزيفة.

لقد فعلوا ذلك ، وفشل نموذجهم الإحصائي في الاختبار. على الرغم من إشارة المادة المظلمة الناعمة ، عاد النموذج بنتيجة محببة يسيطر عليها النابض. لقد رفعوا إشارة المادة المظلمة إلى أربعة أضعاف حجم GCE الفعلي وما زال نموذجهم فشل في اكتشافها.

يقول لين: "في تلك المرحلة ، كنت متحمسًا جدًا ، لأنني أدركت أن الآثار كبيرة جدًا - وهذا يعني أن تفسير المادة المظلمة عاد إلى الطاولة".

إذا كانت هذه النتائج الجديدة صحيحة ، فهذه مشكلة كبيرة.

يقول لين: "إذا كانت المادة مظلمة حقًا ، فسيكون هذا أول دليل على تفاعل المادة المظلمة مع المادة المرئية من خلال قوى أخرى غير الجاذبية". "إن طبيعة المادة المظلمة هي أحد أكبر الأسئلة المفتوحة في الفيزياء في الوقت الحالي. قد يتيح لنا تحديد هذه الإشارة على أنها مادة مظلمة أن نكشف في النهاية عن الهوية الأساسية للمادة المظلمة. مهما كان الفائض ، سنتعلم شيئًا جديدًا عن الكون ".

وقال سلاتيير في بيان صحفي "إنه أمر مثير حيث اعتقدنا أننا قضينا على احتمال أن تكون هذه مادة مظلمة". "ولكن الآن هناك ثغرة ، خطأ منهجي في الادعاء الذي قدمناه. إنها تفتح الباب لإشارة قادمة من المادة المظلمة ".

نُشرت هذه النتيجة الجديدة في مجلة Physical Review Letters التي تصدر في 11 ديسمبر.