تابش گاما در هاله راه شیری: سرنخ قوی تر برای ماده تاریک

پس از ۱۵ سال رصد تابش گاما، اخترشناسان یک درخشش ضعیف و پرانرژی را در هاله کهکشان راه شیری شناسایی کرده‌اند که می‌تواند قوی‌ترین سرنخ تا امروز برای نابودی ماده تاریک باشد. این سیگنال در انرژی‌ای اوج می‌گیرد که با مدل‌های ذره‌ای محبوب سازگار است، اما پژوهشگران هشدار می‌دهند که برای رد کردن منابع معمولی اخترفیزیکی نیاز به کار بیشتر و تحلیل‌های مستقل وجود دارد.

درخشش شگفت‌انگیز در جایی که آسمان باید ساکت باشد

تلسکوپ فضایی فرمی برای تقریباً دو دهه آسمان را زیر نظر داشته است. زمانی که تومونوری توتانی، اخترفیزیکدان دانشگاه توکیو، و همکارانش داده‌های ۱۵ سال تلسکوپ میدان دید بزرگ فرمی (Fermi-LAT) را روی هم قرار دادند، تابش گامای پراکنده و میزانی تقریباً کروی را دیدند که سراسر هاله کهکشان را در بر می‌گیرد و در حدود ۲۰ گیگاالکترون‌ولت (۲۰ GeV) به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.

ویژگی بارز این آشکارسازی ترکیب انرژی و مورفولوژی آن است. این تابش ضعیف اما گسترده و هاله‌شکل است؛ نه در امتداد صفحه کهکشانی متمرکز است و نه به منابع نقطه‌ای شناخته‌شده محدود می‌شود. این الگوی فضایی — تقریباً کروی و متمرکز بر مرکز کهکشان — همان چیزی است که بسیاری از مدل‌های ماده تاریک برای محصولات نابودی یا واپاشی پیش‌بینی می‌کنند و به همین دلیل در جستجوی سیگنال ماده تاریک اهمیت دارد.

چگونه تیم، سیگنال را از نویز جدا کرد

تشخیص یک سیگنال هاله‌ای ضعیف چالشی آماری و فنی است. هاله به‌مراتب کم‌نورتر از مرکز شلوغ کهکشان است و فوتون‌های گاما در این بازه‌های انرژی کمیاب‌اند. تحلیل توتانی بر پایه یک افق زمانی طولانی است: گردآوری و پاک‌سازی ۱۵ سال داده Fermi-LAT به‌منظور ساختن نقشه‌ای با نسبت سیگنال به نویز بالا برای تابش‌های پراکنده.

برای جدا کردن این درخشش ناخواسته، تیم سهم منابع شناخته‌شده تابش گاما در هاله را تفریق کرد: حباب‌های فرمی (Fermi bubbles)، منابع نقطه‌ای موجود در کاتالوگ‌ها، و تابش پراکنده ناشی از برهم‌کنش‌های پرتوهای کیهانی با گاز میان‌ستاره‌ای. پس از حذف این مؤلفه‌ها، یک اضافه‌بارقِای هاله‌مانند باقی ماند که اوجی طیفی نزدیک به ۲۰ GeV نشان می‌داد — حوزه انرژی‌ای که با نابودی برخی از ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs) سازگار است.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

تأثیر پنهان ماده تاریک در تکامل کهکشان ها

نقش ماده تاریک در ساختار کهکشان‌ها کهکشان‌ها ساختارهای کیهانی بسیار پیچیده‌ای هستند که فراتر از آنچه...

نقشه‌ای که همه تابش گاما را به جز این اضافه‌بار حذف کرده است. نوار خاکستری در مرکز صفحه کهکشانی را می‌پوشاند. 

چرا WIMPها و تابش گاما در صدر فهرست‌اند

ماده تاریک صرفاً از راه گرانش خود را نشان می‌دهد: کهکشان‌ها سریع‌تر از آنچه جرم مشاهده‌شده‌شان توضیح می‌دهد می‌چرخند، و خوشه‌های کهکشانی چنان رفتار می‌کنند که گویا جرم نامرئی اضافی‌ای وجود دارد. فیزیک‌دانان ذرات نامزدهایی را پیشنهاد داده‌اند و WIMPها هنوز هم در میان بحث‌های اصلی جایگاه دارند. در بسیاری از مدل‌های WIMP، برخورد ذره و پادذره منجر به نابودی می‌شود و محصولات نابودی شامل ذرات مدل استاندارد از جمله فوتون‌های گاما با انرژی بالا هستند که تلسکوپ‌هایی مانند فرمی می‌توانند آشکارشان کنند.

اگر یک اضافه‌بار تابش گاما با انرژی و پروفایل فضایی مناسب ظاهر شود، می‌توان آن را به‌عنوان نشانه احتمالی نابودی WIMPها تفسیر کرد. سیگنال جدید هاله در جایی اوج می‌گیرد که چند سناریوی WIMP پیش‌بینی می‌کنند، و به‌همین‌خاطر آشکارسازی از منظر علمی وسوسه‌انگیز است. اما تطبیق یک ویژگی پیش‌بینی‌شده کافی برای اثبات قطعی نیست: فرایندهای اخترفیزیکی جایگزین گاهی می‌توانند شکل طیفی مشابهی را تقلید کنند؛ برای مثال جمعیتی از پالسارهای میلی‌ثانیه‌ای بسیار کم‌نور یا فرآیندهای ناشناخته پخش تابش در محیط میان‌ستاره‌ای.

چرا هاله همان‌قدر اهمیت دارد که مرکز کهکشان

بسیاری از جست‌وجوهای ماده تاریک روی مرکز کهکشان متمرکز می‌شوند زیرا مدل‌های نظری چگالی ماده تاریک را در آنجا بالا قرار می‌دهند و بنابراین هر سیگنال نابودی باید تقویت‌شود. اما مرکز کهکشان محیطی بسیار شلوغ است: پالسارهای میلی‌ثانیه‌ای، بازمانده‌های ابرنواختری، و ساختارهای پیچیده گازی می‌توانند تابش گاما تولید کنند و تفسیر را مبهم سازند.

در مقابل، هاله محیطی ساکت‌تر است. چگالی پایین‌تر آن به این معناست که هر سیگنال ماده تاریک ضعیف‌تر خواهد بود، اما هم‌زمان کمتر آلوده به منابع فشرده گاما است. این محیط پاک‌تر باعث می‌شود که یک آشکارسازی در هاله از نظر اعتباری قوی‌تر به نظر برسد — مشروط بر این که تحلیل، تمامی پس‌زمینه‌های پراکنده شناخته‌شده را به‌طور کامل در نظر گرفته باشد و حساسیت‌ها و عدم قطعیت‌های سیستماتیک را به دقت برآورد کند.

گام‌های بعدی: راستی‌آزمایی، چک متقابل و جست‌وجوهای مستقل

علم از طریق تکثیر نتایج پیش می‌رود. تیم توتانی نتایج خود را در Journal of Cosmology and Astroparticle Physics منتشر کرد، اما این ادعا نیاز به تأیید مستقل دارد. گروه‌های دیگر داده‌های Fermi-LAT را دوباره‌پردازی خواهند کرد، مدل‌های پس‌زمینه متفاوت را اعمال می‌کنند و آزمون می‌کنند که آیا این اضافه‌بار تحت فروض جایگزین نیز پابرجا می‌ماند یا نه. این گام‌های تکراری برای رد یا تأیید سیگنال بسیار حیاتی‌اند؛ زیرا تعداد کمی از کشفیات اخترفیزیکی وقتی برای اولین بار اعلام می‌شوند، بدون چک‌های مستقل مورد پذیرش قرار می‌گیرند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

پرتو گاما در مرکز راه شیری: آیا نشانه ماده تاریک است؟

یک درخشش پایدار از تابش گاما در اطراف مرکز کهکشان راه شیری بیش از یک دهه...

علاوه بر بازتحلیل داده‌های فرمی، اخترشناسان به دنبال امضای مشابه در اهداف دیگر خواهند بود. کهکشان‌های کوتوله کروی (dwarf spheroidal) که به دور راه شیری می‌گردند آزمایشگاه‌های ایده‌آلی هستند: آن‌ها غالباً تحت‌تأثیر ماده تاریک‌اند و فرآیندهای اخترفیزیکی تولیدکننده گاما در آن‌ها کم یا معدود است. آشکارسازی یک اضافه‌بار ۲۰ GeV مشابه در کوتوله‌ها به تعبیر ماده تاریک قوت می‌بخشد. همچنین پیگیری‌های چنددهانه‌ای (multiwavelength) و تحلیل‌های جمعی (stacking) روی مجموعه‌های بزرگی از کهکشان‌ها می‌تواند الگوهای مکرر را نشان دهد یا توضیحات اخترفیزیکی معمول را آشکار کند.

اگر کشف تأیید شود، چه معنایی برای فیزیک خواهد داشت

اگر روشن شود که درخشش هاله ناشی از نابودی ماده تاریک است، این کشف ورود یک ذره جدید فراتر از مدل استاندارد را نوید می‌دهد. چنین نتیجه‌ای فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی را بازتعریف می‌کند و محدودیت‌های مشاهداتی مستقیمی بر جرم ذره، سطح مقطع نابودی (annihilation cross-section) و کانال‌های برهم‌کنش آن ارائه می‌دهد. این اطلاعات به تجربه‌های زمینی و جست‌وجوهای برخورددهنده‌ها (مانند LHC یا آزمایشات آینده) جهت می‌دهد تا تولید یا مطالعه نامزدهای ماده تاریک را هدف‌گیری کنند.

با این حال، پژوهشگران توصیه به احتیاط می‌کنند. یک اضافه‌بار ضعیف گاما که با انتظارات WIMP سازگار است هنوز «سیگنال قطعی» محسوب نمی‌شود. پدیده‌های اخترفیزیکی — ممکن است جمعیت‌های ناآشکار از منابع کم‌نور یا فرایندهای پخش تابش ناشناخته — هنوز قادر به توضیح سیگنال باشند. جداسازی این احتمال‌ها سال‌ها تحلیل دقیق و چندین خط شواهد مستقل می‌طلبد: از بازتحلیل داده‌ها و تست حساسیت‌ها تا پیگیری در طول موج‌های متفاوت و مقایسه با نتایج تجربی مستقیم و برخورددهنده‌ها.

دیدگاه کارشناسان

دکتر النا رامیرز، اخترفیزیکدان رصدی که در این مطالعه مشارکت نداشت، می‌گوید: 'این گونه نتایج جامعه علمی را به‌تحرک درمی‌آورد. انرژی و شکل طیفی جالب‌اند، و هاله آزمایشگاهی کمتر به‌کاررفته برای جست‌وجوی ماده تاریک است. اما ادعاهای استثنایی نیاز به حفاظ‌های استثنایی دارند: خطوط پردازش مستقل، مدل‌های پس‌زمینه جایگزین، و آزمون‌ها در سامانه‌های دیگر.'

یک متخصص دیگر، فیزیک‌دان ذرات در یک آزمایشگاه ملی، افزود: 'اگر تأیید شود، امضای نابودی در حدود ۲۰ GeV به‌طور چشمگیری فضای پارامتری مدل‌های ماده تاریک را تنگ می‌کند. این یکی از آن لحظات نادر است که مشاهده اخترفیزیکی مستقیماً به فیزیک ذرات جدید اشاره می‌کند.' این دیدگاه‌ها ترکیبی از هیجان و احتیاط را که مشخصه پژوهش‌های مرز دانش است، برجسته می‌کنند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

پیشبینی ۹۰٪ احتمال مشاهده انفجار سیاهچالهٔ اولیه در دهه آینده

تحلیل نظری جدیدی از پژوهشگرانی در دانشگاه ماساچوست امهرست نشان می‌دهد که تقریباً ۹۰٪ احتمال دارد...

این کشف — هرچند هنوز مقدماتی است — نشان می‌دهد که مأموریت‌های طولانی‌مدت مانند فرمی هنوز می‌توانند شگفتی‌هایی ارائه دهند. با داده‌های بیشتر، مدل‌های بهتر و تلاش هماهنگ جهانی میان تلسکوپ‌ها و گروه‌های نظری، چند سال آینده باید روشن کند که آیا آن درخشش ضعیف در هاله حقیقتاً نجواگر هویت ماده تاریکِ کیهان است یا محصول فرایندهای معمول اخترفیزیکی. در همین مسیر، تعامل میان شواهد رصدی، تحلیل‌های آماری پیشرفته، و محدودیت‌های آزمایشگاهی و برخورددهنده‌ای نقش مرکزی ایفا خواهد کرد.