تأیید وجود ذرات ماده‌ی تاریک، توسط نتایج تَپ اخترها

ماهیت ماده‌ی تاریک، همچنان یک راز است اما ستاره شناسان یک گام دیگر به جواب نزدیک شدند. نتایج به دست آمده از یک رصدخانه غیرمرسوم در مکزیک، دانشمندان را به حل راز ماده‌ی تاریک نزدیک‌تر کرده است. آنها اعتقاد دارند که ذرات عجیبی که نور ساطع نمی‌کنند، ۸۵ درصد جرم جهان را به وجود آورده‌اند.

منشأ این راز به سال ۲۰۰۸ برمی‌گردد، زمانی که ماهواره PAMELA اروپا، تعداد زیادی پوزیترون در فضای نزدیک به زمین کشف کرد. پوزیترون را می‌توان الکترون‌هایی با بار مثبت یا پادماده‌ی الکترون نامید. اخیرا آزمایش طیف سنجِ مغناطیسی آلفا (AMS) در ایستگاه بین المللی فضایی، یافته‌های PAMELA را گسترش داده‌ است، پوزیترون‌ها سه تا پنج برابر بیشتر از مقدار پیش بینی شده توسط دانشمندان هستند. این پوزیترون‌ها ممکن است منبع ماده تاریک داشته باشند.

نظریه پردازان دو توضیح، برای پوزیترونِ اضافه دارند. فرضیه‌ی دقیق‌تر توضیح می‌دهد که ستاره‌های نوترونی که به سرعت به دور خود می‌چرخند (تپ‌اخترها)، پوزیترون و سایر ذرات زیر-اتمی را به فضا پرتاب می‌کنند و برخی از این ذرات به سمت زمین حرکت می‌کنند. دانشمندان فرضیه‌ی عجیب دیگری نیز دارند. ذرات ماده تاریک سنگین در کهکشان ما، همدیگر را نابود می‌کنند و این خود-تخریبی باعث به وجود آمدن آبشاری از پوزیترون‌ها و دیگر ذرات بنیادی می‌شود.

برای آزمایش ایده‌ی تپ اخترها، یک گروه از دانشمندان، آسمان را با استفاده از رصدخانه‌ی آب ارتفاع بالا چرنکوف (HAWC) مشاهده کردند. این یک رصدخانه معمولی با تلسکوپ‌های نجومی نیست. HAWC از ۳۰۰ مخزن آب تشکیل شده است که در ارتفاع ۴۱۰۰ متری در جنوب مکزیک قرار گرفته‌اند. این رصدخانه، امواج گامای بسیار پر انرژی را به طور غیرمستقیم استخراج می‌کند. زمانی که یک ذره‌ی گاما با مولکول‌های بالای جو زمین برخورد می‌کند، بارشی از ذرات ثانویه‌ی تشکیل شده از این برخورد به وجود می‌آورد. این ذرات، سرعتی نزدیک به سرعت نور دارند. با برخورد این ذرات پر انرژی با سطح آب مخازن، نور آبی رنگی به وجود می‌آید که تابش چرنکوف نام دارد.

رصدخانه HAWC با ۳۰۰ مخزن آب که برای آشکارسازی تابش چرنکوف طراحی شده است.

طی رصدهایی که بین سال‌های ۲۰۱۴ تا ۲۰۱۶ انجام شد، به وضوح پرتوی گامای پر انرژی، در اطراف تپ اخترهایی در صورت فلکی جوزا دیده شد. این تپ اخترها که با نام‌های Geminga این نام، خلاصه شده‌ی Genimi gamma-ray source به معنی منبع پرتوی گاما صورت فلکی دوپیکر می باشد- و PSR B0656+14 شناخته می‌شوند که به ترتیب در فاصله‌های ۸۰۰ و ۹۰۰ سال نوری از ما قرار گرفته‌اند. تشخیص پرتوهای گاما در اطراف یک تپ اختر برای اولین بار توسط HAWC انجام شده است. شار پرتوهای گامای رصد شده به اندازه‌ای نیست که برای مسئله پوزیترون‌های اضافه کافی باشد. الکترون‌ها و پوزیترون‌های به وجود آمده از یک تپ اختر با فوتون‌های جهان اولیه (تابش زمینه کیهانی) برهمکنش می‌کند تا پرتوهای گاما را به وجود آورد. متأسفانه دانشمندان نمی‌توانند منشأ پوزیترون‌های اطراف زمین را پیدا کنند. از آنجایی که پوزیترون‌ها ذراتی باردار هستند، توسط میدان‌های مغناطیسی اجرام متفاوت در فضا منحرف می‌شوند و مستقیم به سمت ما نمی‌آیند. بنابراین HAWC، مقدار شعاعی پرتوهای گامای منتشر شده از تپ اخترها را اندازه‌گیری نمود و به طور غیرمستقیم تعداد و سرعت ذرات پوزیترون تولید شده از منبع تپ اختر را بدست می‌آورد.

مکان دو تپ اختر مورد مطالعه در صورت فلکی دوپیکر

جوردن گودمن، محقق اصلی HAWC گفت: «پرتو‌های گامای اندازه‌گیری شده در نزدیکی منبع الکترون و پوزیترون ردیابی شده‌اند. با استفاده از این داده‌ها ما می‌توانیم بفهمیم که این الکترون و پوزیترون‌ها با چه سرعتی از منبع خود دور می‌شوند.»

تیم تحقیقاتی نتیجه گرفت که تپ اخترها، پوزیترون‌های اضافی اطراف زمین در رصدهای PAMELA  و AMS را توضیح نمی‌دهد. اگر تپ اخترها نمی‌توانند وجود این ذرات را در اطراف زمین توضیح دهند، پس چه چیزی می‌تواند؟ بعضی نظریه‌ها، جت‌های بقایای ابرنواخترها و سیاهچاله‌ها را پاسخ این سؤال می‌دانند. اما گودمن معتقد است که اکثر این اجرام، خیلی دورتر و جوان‌تر از آن هستند تا ذراتی را به سمت زمین بفرستند.

به این ترتیب، تنها ایده‌ی نابودی ماده‌ی تاریک، برای توضیح پوزیترون‌ها باقی‌ می‌ماند. این نظریه برای سال‌ها در کتاب‌ها بوده است و رصدها هیچگاه آن را رد نکرده‌اند. فیزیکدانان تعدادی ماده‌ی تاریک متفاوت را با ویژگی‌ها و جرم‌های متفاوت پیشنهاد داده‌اند.

آزمایش‌های برخورد دهنده بزرگ هادرونی در سرن (CERN) سوییس و آزمایشگاه‌های زیرزمینی همچنان به دنبال شواهد مستقیم از ماده تاریک هستند. با رد تپ اخترها به عنوان منبع پوزیترون‌های اضافی اطراف زمین توسط HAWC، منبع پوزیترون‌ها، مشابه ماده تاریک، یک راز باقی ماند.

www.astronomy.com