9 دقیقه
یک درخشش پایدار از تابش گاما در اطراف مرکز کهکشان راه شیری بیش از یک دهه دانشمندان را متحیّر نگه داشته است. شبیهسازیهای جدید در مقیاس کهکشانی نشان میدهد که این نور ممکن است همانی باشد که برای سال‌ها به دنبال آن بوده‌اند: اثر نابودی خودبه‌خودی ماده تاریک — یا این تابش ممکن است هنوز هم از جمعیتی پنهان از ستارگان نوترونی بسیار سریع‌چرخان موسوم به پالسارهای میلیثانیهای نشأت بگیرد.
Why the Galactic Center GeV Excess matters
از سال 2009 دادههای تلسکوپ فضایی فرمیِ ناسا نشان‌دهنده مازاد غیرمنتظرهای از پرتوهای گاما با انرژی بالا در نزدیکی مرکز کهکشان بوده است؛ این ویژگی را پژوهشگران تحت عنوان «مازاد گیگاالکترون‌ولت مرکز کهکشان» یا Galactic Center GeV Excess (GCE) نامیده‌اند. پرتوهای گاما پرانرژی‌ترین نور در کیهان هستند و منبعی که GCE را تولید می‌کند باید به‌قدری قدرتمند یا به‌قدری فراوان باشد که بتواند فضای چند هزار سال نوری نزدیک مرکز کهکشان را روشن کند. اهمیت این پدیده در ارتباط مستقیم با پرسش‌های بنیادی درباره ماده تاریک، ساختار هاله کهکشانی، و جمعیت اجرام فشرده است.
دو فرضیه اصلی در طول سال‌ها بر مباحث علمی غالب بوده‌اند. یکی بر این اصل استوار است که این درخشش از برهم‌کنش ذرات ماده تاریک — احتمالاً ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف یا همان WIMPها — ناشی می‌شود؛ در این سناریو ذرات ماده تاریک یکدیگر را نابود میکنند و پرتو گاما به‌عنوان یکی از فرآورده‌ها آزاد می‌شود. فرضیه دیگر جمعیتی از پالسارهای میلیثانیهای نامحلول را نشان میدهد: ستارگان نوترونی بسیار چگال و کوچک که صدها بار در ثانیه می‌چرخند و پرتوهایی از تابش الکترومغناطیسی، از جمله فوتون‌های گاما، ساطع میکنند.
تعیین منشأ دقیق این سیگنال پیامدهای عمیقی دارد. اگر سیگنال به‌خاطر نابودی ماده تاریک باشد، این نخستین شناسایی غیرگرانشیِ ماده تاریک خواهد بود و پیشرفتی بزرگ در فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی به‌حساب می‌آید. اگر منشا پالسارها باشد، نتیجه بر درک ما از تکامل ستارهای، تولید ستارگان نوترونی و توزیع اجرام فشرده در برآمدگی کهکشان (Galactic bulge) تأثیر می‌گذارد و اطلاعات ارزشمندی درباره جمعیت‌شناسی پالسارها و فرایندهای دینامیکی هسته کهکشانی فراهم می‌آورد.
New simulations test shape and origin
برای پرداختن به این منازعه علمی، تیمی به‌سرپرستی کیهان‌شناس موریتس میکله مورو (Moorits Mihkel Muru) در مؤسسهٔ لایبنیتس برای اخترفیزیک پوتسدام شبیهسازیهای با وضوح بالا از کهکشان‌هایی شبیه به راه شیری اجرا کردند. این مطالعه تلاش کرد بازسازی کند که چگونه هاله ماده تاریک و برآمدگی ستارهای پیر (old stellar bulge) ممکن است پس از میلیاردها سال ادغام، جذب و تکامل درونی امروز به‌نظر برسند. تحلیلهای دینامیکی و تاریخچه ادغام کهکشان‌ها نشان میدهد ساختار هاله و توزیع ستارگان پیر تحت تأثیر فرآیندهایی قرار میگیرد که تصویر سادهٔ کروی یا همسان‌گرد را دگرگون میکنند.
کارهای مشاهده‌ای پیشین نشانهٔ مرفولوژیکی را مطرح کرده بودند: توزیع فضایی GCE ظاهراً «جعبهای» یا X-شکل به‌نظر می‌رسید — سیگنالی شبیه برآمدگی Xشکلِ ستارگان قدیمی در راه شیری. اگر این مازاد دقیقاً آن ساختار جعبهای را دنبال کند، آنگاه پالسارهای میلیثانیهای متمرکز در برآمدگی کهکشان منبع بدیهی خواهند بود. از سوی دیگر، تصور غالب این بود که هالهٔ ماده تاریک تا حد زیادی کروی است و چنین هاله‌ای پروفیل گامای نرم‌تر و گردتری تولید می‌کند. بنابراین مرفولوژی یا شکل مکانی تابش یکی از کلیدهای تمایز بین منشأ ستارهای و ذراتی محسوب می‌شد.
اما شبیه‌سازی‌ها آن انتظار ساده را تغییر دادند. تیم تحقیقاتی نشان داد که هالهٔ ماده تاریک راه شیری احتمالاً دقیقاً کروی نیست. ادغام‌های پی‌درپی، برهم‌کنش‌های گرانشی و اثرات دینامیکی در طول زمان کیهانی میتوانند هاله را فلاته (صاف) کرده یا آن را دچار تقعر و کشش کنند. وقتی این توزیع‌های کمی غیرکروی از نقطه دید منظومه شمسی — که در حدود 8 کیلوپارسک از مرکز کهکشان قرار دارد — مشاهده شوند، یک توزیع ماده تاریک اندکی صاف‌شده میتواند روی آسمان شبیه شکل جعبه‌ایِ برآمدگی ستارهای جلوه کند. این نتیجه نشان میدهد که تنها شکل هاله ممکن است معیار قاطعی برای تفکیک بین نابودی ماده تاریک و پالسارها نباشد.
به بیان دیگر، شکل هاله به‌تنهایی نمی‌تواند با قطعیت منشأ GCE را مشخص کند. محققان با تحلیل مرفولوژی، توزیع انرژی-طیفی (spectrum) و شدت تابش نتیجه‌گیری کردند که هر دو سناریو — نابودی ماده تاریک و جمعیت پالسارهای میلیثانیهای — هنوز از منظر مشاهداتی ممکن هستند. با این حال، با توجه به کمبود آشکار پالسارهای کشف‌شده تا کنون نسبت به آنچه برای توضیح کامل مازاد مورد نیاز است، گروه پژوهشی نسبت اندکی به نفع سناریوی ماده تاریک قائل شد؛ هرچند این برتری قاطع نیست و نیاز به شواهد بیشتر دارد.
Texture, point sources and mixed scenarios
شواهد همه‌جانبه نیستند و تحلیلهای مختلف از دادههای فرمی نتایج گوناگونی نشان داده‌اند. برخی از بررسی‌ها نقاط کوچک و ریزبافت‌هایی درون GCE مشاهده کرده‌اند که شبیه منابع نقطهای منفرد است؛ این الگو با پالسارهای میلیثانیهای سازگار است که هر یک به‌صورت منابع نقطهای ضعیف در نقشه‌های گاما ظاهر می‌شوند. در مقابل، نابودی ذرات ماده تاریک معمولاً یک تابش گسترده و همواری ایجاد می‌کند که فاقد ساختار نقطهای قوی است. مقالهٔ تازه روی شکل‌پذیری در مقیاس بزرگ تمرکز کرده و مستقیماً مسئلهٔ ساختارهای کوچک‌مقیاس (texture) را حل نمی‌کند؛ موضوعی که همچنان در تحقیقات دیگر مورد مناقشه و بررسی است.
این ابهام دریچهٔ امکان‌پذیر سناریوی ترکیبی را باز می‌کند: ممکن است بخشی از سیگنال ناشی از نابودی ماده تاریک به‌صورت یک مؤلفهٔ نرم و گسترده باشد و در کنارش مشارکتی از پالسارهای نامحلول یا سایر منابع ستارهای وجود داشته باشد. تمایز میان این حالت‌ها نیازمند رزولوشن زاویهای بهتر، حساسیت عمیق‌تر به منابع نقطهای بسیار ضعیف، و پیگیری‌های چندطولی (multiwavelength) است که بتوانند پالسارها را در طول موجهای رادیو یا پرتوهای ایکس آشکار کنند. ابزارها و تکنیک‌هایی مانند تحلیلهای آماری پیشرفته، روش‌های تفکیک منابع نقطهای، و مطابقت‌دهی با کاتالوگ‌های رادیویی و ایکسری برای تأیید یا رد منشأ ستارهای ضرورت دارند.
New telescopes will help separate the signals
رصدخانه‌های آینده باید تصویر روشن‌تری ارائه دهند. آرایه تلسکوپهای چرنکوف (Cherenkov Telescope Array, CTA) در نیمکره‌های شمالی و جنوبی و رصدخانه میدان‌گستردهٔ پرتو گاما در نیمکرهٔ جنوبی (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory, SWGO) قادر خواهند بود پرتوهای گاما با انرژی بالاتر را با حساسیت و رزولوشن زاویهای بهتری نسبت به ابزارهای فعلی بررسی کنند. این تسهیلات میتوانند بسنجند که آیا مازاد دارای یک پروفیل فضایی نرم و یکدست است یا به چندین منبع ضعیف تفکیک می‌شود، و همچنین ویژگیهای طیفی که از کانال‌های مختلف نابودی WIMPها انتظار می‌رود را مورد آزمایش قرار دهند.
به‌عنوان مثال، نابودی WIMPها ممکن است طیف انرژی ویژه‌ای تولید کند که در آن فروش‌هایی از تولید جفت کوارک‌ها یا لپتون‌ها (مانند b باریون‌ها یا تائوها) قابل تشخیص باشد؛ مشاهدهٔ چنین ویژگیهای طیفی همراه با یکنواختی فضایی قوی میتواند شاهدی قوی برای سناریوی ماده تاریک باشد. از سوی دیگر، کشف شمار چشمگیری از منابع نقطهای ضعیف در برآمدگی کهکشان یا شناساییِ پالسارهای میلیثانیهای در طول موجهای رادیویی و ایکسری ترجیح را به سمت منشأ ستارهای می‌برد. رصدهای هم‌زمان و هم‌افزایی بین فرمی، CTA، SWGO و تلسکوپهای رادیویی/ایکسری اهمیت کلیدی دارد.
افزون بر این، بهبود روش‌های تصویرسازی، فیلترهای زمانی-طیفی، و تحلیلهای آماری مبتنی بر مدلهای تکمیلی میتوانند به تفکیک مؤلفه‌های مختلف سیگنال کمک کنند. برای مثال، جستجوی الگوهای پالسی یا آشکارسازی دوره‌ای در فرکانس‌های رادیویی میتواند منبع پالساری را مستقیم‌تر نشان دهد، در حالی که تحلیل طیفی و توزیعی میتواند اجزایی که با مدلهای نابودی ماده تاریک سازگارند را برجسته کند.
Expert Insight
«این مطالعه نشان میدهد که باستان‌شناسی کهکشانی تا چه حد میتواند پیچیده باشد»، دکتر النا وارگاس، اخترفیزیکدانی که منابع گاما را بررسی می‌کند، می‌گوید. «هاله‌های ماده تاریک محصول تاریخچهٔ ادغام کامل یک کهکشان هستند و همین تاریخ میتواند تصویر سادهٔ کروی را محو کند. اکنون مهم این است که مرفولوژی را با اثرانگشت‌های طیفی و جستجوهای مستقیم برای پالسارها در طول موجهای رادیویی و ایکسری ترکیب کنیم.»
او اضافه می‌کند: «تصور کنید از دور به یک شهرِ دوردست در شب نگاه می‌کنید: از فواصل زیاد ممکن است تنها یک درخشش کلی ببینید، و تنها با عدسی‌های بهتر است که می‌توان تشخیص داد آیا این یک چراغ گسترده است یا ده‌ها چراغ خیابانی مجزا. دههٔ آیندهٔ رصدخانه‌های پرتو گاما همین عدسی‌ها را در اختیار ما خواهد گذاشت.»
مباحثه دربارهٔ مازاد گیگاالکترون‌ولت مرکز کهکشان نمونه‌ای از تلاقی بین کیهان‌شناسی، اخترفیزیک پرانرژی، و مطالعات جمعیت ستارگان است. چه این درخشش حاصل نابودی خودبه‌خودی ماده تاریک باشد، چه خوشه‌ای پنهان از ستارگان نوترونی، یا تلفیقی از هر دو، نتایجِ نهایی مدلهای راه شیری را پالایش خواهند کرد و ممکن است پنجره‌های جدیدی به فیزیک بنیادی بگشایند. برای پیشبرد این موضوع نیازمند ترکیب دادههای مشاهداتی، شبیهسازیهای پیشرفته، و تکنیک‌های آماری قوی هستیم تا بتوانیم ارتباط میان مفاهیم کلیدی مانند هالهٔ ماده تاریک، پالسارهای میلیثانیهای، و مشخصات طیفی تابش گاما را بهتر بشناسیم.
منبع: sciencealert
نظرات
شهرمسیر
نگاه متعادلیه، خوبه که گفتن شکل تنها معیار نیست. ترکیب فرکانس‌ها و رصدهای آینده مشخص‌کننده‌ست
استروست
من تو یه پروژه شبیه‌سازی کار کردم؛ تاریخچه ادغام عملاً شکل هاله رو تغییر میده. خوشحالم این جنبه رو دارن بررسی می‌کنن، ولی هنوز راهه
توربو
واقعاً؟ من شک دارم. تا وقتی پالسارها تو رادیو یا ایکسری پیدا نشن، نمی‌شه گفت منشأش ماده تاریکه، داده‌ها متناقضه
کوینیا
معقول به نظر میاد؛ شبیه‌سازی‌ها وزن دارن اما اگه پالسارها هم باشن کلی سوال می‌مونه، نه جواب قطعی
دیتاپالس
وای، یعنی ممکنه ماده تاریک رو بالاخره دیده باشیم؟ مثل یه فیلم علمی تخیلیه... امیدوارم، ولی باید داده‌ها بیشتر بشه تا قانع بشیم
ارسال نظر