Multimessenger search strategy for composite dark matter with white dwarf data and gravitational wave detectors

يمتلئ الكون بمادة غامضة تسمى المادة المظلمة. نحن نعلم بوجودها لأن جاذبيتها تمسك بالمجرات وتثني ضوء النجوم البعيدة، ومع ذلك فهي لا تبعث أو تمتص أو تعكس أي ضوء. لعقود من الزمن، بحث العلماء عنها من خلال البحث عن جسيمات متناهية الصغر وغير مرئية قد تمر عبرنا في كل ثانية. ومع ذلك، وعلى الرغم من عقود من الجهد، لم يعثر أحد على جسيم واحد من هذه الجسيمات. وقد دفع هذا الافتقار إلى الاكتشاف بعض الباحثين إلى التفكير في احتمال مختلف: وهو أن المادة المظلمة قد لا تتكون من جسيمات صغيرة على الإطلاق، بل من كتل كبيرة وثقيلة. ستكون هذه الكتل أجسامًا عيانية (ماكروسكوبية)، ربما بحجم حبة رمل أو بحجم جبل، تشكلت من نفس تلك المادة المظلمة التي تشكل الكتلة غير المرئية للكون. تكمن المشكلة في البحث عن هذه الكتل الكبيرة في كونها نادرة جدًا؛ فبسبب ثقلها، يوجد عدد أقل بكثير منها يسبح في الفضاء مقارنة بالجسيمات الصغيرة، مما يجعل من الصعب للغاية الإمساك بها باستخدام الكواشف القياسية على الأرض.

لحل هذه المشكلة، اقترح فريق من الباحثين من جامعة سون يات سين في الصين طريقة جديدة لصيد كتل المادة المظلمة الكبيرة هذه. فبدلاً من انتظار اصطدامها بكاشف في مختبر، يقترحون الاستماع إلى التموجات التي قد تسببها في الفضاء نفسه، مع إعادة فحص تاريخ النجوم الميتة أيضًا. ركز الباحثون على نوع محدد من المادة المظلمة يتكون من أجسام مركبة، تمامًا كما تتكون الذرات من جسيمات أصغر، ولكنها توجد في قطاع خفي من الكون. يمكن لهذه الأجسام أن تكون ثقيلة بما يكفي لتمتلك جاذبيتها الخاصة، ويمكنها التفاعل مع المادة العادية من خلال قوة أقوى قليلاً من الجاذبية. طور الفريق استراتيجية موحدة تجمع بين نوعين مختلفين تمامًا من الملاحظات: الموت العنيف للنجوم، والأجهزة الحساسة المصممة لسماع الموجات الثقالية الناتجة عن تصادم الثقوب السوداء.

يتضمن الجزء الأول من استراتيجيتهم النظر في الأقزام البيضاء، وهي النوى الكثيفة والباردة لنجوم مثل شمسنا بعد أن تحرق وقودها. هذه النجوم كثيفة للغاية وتعمل ككواشف ضخمة ذات تعريض طويل. إذا مرت كتلة كبيرة من المادة المظلمة عبر قزم أبيض، فإنها ستصطدم بذرات النجم، وتنقل الطاقة أثناء مرورها. إذا كانت الكتلة ثقيلة بما يكفي وتتحرك بسرعة كافية، فإن نقل هذه الطاقة يمكن أن يسخن بقعة صغيرة داخل النجم إلى ملايين الدرجات. هذا الحرارة المفاجئة يمكن أن تطلق انفجارًا نوويًا متسلسلًا، مما يحول القزم الأبيض إلى مستعر أعظم (سوبرنوفا). حلل الباحثون بيانات آلاف الأقزام البيضاء لمعرفة ما إذا كان أي منها قد انفجر بطريقة يمكن تفسيرها بهذه العملية. ومن خلال استخدام نماذج أكثر دقة للهياكل الداخلية للنجوم وقاعدة بيانات أكبر للأقزام البيضاء المعروفة من أي وقت مضى، حسبوا بدقة مقدار الطاقة التي تحتاج الكتلة المظلمة لإيداعها لتسبب مثل هذا الانفجار. ووجدوا أنه إذا كانت هذه الكتل موجودة وتتفاعل مع المادة العادية بطريقة معينة، فقد تكون قد تسببت في انفجارات في العديد من الأقزام البيضاء التي لاحظناها بالفعل. وبما أننا لا نرى هذه الانفجارات تحدث بوتيرة تتوافق مع ما يتنبأ به النظرية، فقد تمكن الباحثون من استبعاد مجموعة واسعة من الاحتمالات لما يمكن أن تكون عليه هذه الكتل المظلمة، وتحديدًا تضييق نطاق قوة تفاعلها مع المادة العادية.

أما الجزء الثاني من الدراسة فيتطلع نحو المستقبل، باستخدام أدوات فضائية مصممة لرصد الموجات الثقالية. هذه الكواشف، مثل المهمات المخطط لها LISA وTianQin وTaiji، تتكون من أقمار صناعية تسبح في الفضاء وتقيس التغيرات الطفيفة في المسافة بينها بدقة متناهية. أدرك الباحثون أنه إذا مرت كتلة ثقيلة من المادة المظلمة بالقرب من أحد هذه الأقمار الصناعية، فإن جاذبيتها ستجذب الكتل الاختبارية داخل الأداة. هذه الجذبة ستؤدي إلى إزاحة طفيفة يمكن رصدها في سرعة القمر الصناعي، مما يخلق إشارة فريدة في البيانات. وخلافًا لطريقة القزم الأبيض، التي تبحث عن غياب الانفجارات، تبحث هذه الطريقة عن وجود "دفعة" جاذبية محددة. حسب الفريق حساسية هذه الكواشف المستقبلية ووجدوا أنها تستطيع رصد كتل المادة المظلمة التي تتراوح كتلتها من جرام واحد إلى عشرة تريليونات جرام، بشرط أن تتفاعل هذه الكتل مع المادة العادية بقوة أكبر بكثير من الجاذبية. يفتح هذا النهج نافذة جديدة على الكون، مما يسمح للعلماء بسبر أغوار مناطق من مشهد المادة المظلمة لا يمكن رؤيتها تمامًا بواسطة كواشف الجسيمات التقليدية وحتى بواسطة طريقة القزم الأبيض.

جمع الباحثون بين هذين النهجين لإنشاء استراتيجية بحث قوية متعددة الرسل. ووجدوا أنه بالنسبة لكتل المادة المظلمة ذات الكثافة الداخلية المنخفضة، فإن القيود المستمدة من انفجارات الأقزام البيضاء صارمة للغاية لدرجة أنها لا تترك مجالًا تقريبًا لوجود هذه الأجسام. ومع ذلك، بالنسبة للكتل ذات الكثافة الداخلية العالية جدًا، تفقد طريقة القزم الأبيض قوتها، لكن كواشف الموجات الثقالية تصبح الأداة المثالية. في هذا النطاق عالي الكثافة، يمكن للكواشف الفضائية أن تحدد هذه الأجسام بل وتقيس خصائصها بدقة كبيرة. استخدم الفريق أدوات إحصائية لإظهار أنه إذا تم رصد إشارة، فيمكن لهذه الأدوات تحديد كتلة كتلة المادة المظلمة وقوة تفاعلها مع المادة العادية بدقة تصل إلى بضعة بالمائة. وهذا يعني أننا إذا وجدنا هذه الكتل الثقيلة وهي تمر بالقرب من مراصدنا الفضائية المستقبلية، فلن نعرف فقط أنها موجودة، بل سنتمكن من فهم ماهيتها بالضبط.

من خلال الربط بين دراسة النجوم المحتضرة ومجال علم الفلك الموجي الثقالي المتطور، يقدم هذا العمل خطة شاملة إما لاكتشاف هذه الأجسام الماكروسكوبية المظلمة المراوغة أو استبعادها تمامًا. وتوضح الدراسة أن الكون يقدم طرقًا متعددة لاختبار نظرياتنا، ومن خلال استخدام التاريخ العنيف للنجوم جنبًا إلى جنب مع الدقة الهادئة للمداخلات الفضائية، يمكننا أخيرًا محاصرة أحد أكثر الألغاز استمرارًا في الفيزياء. وتشير النتائج إلى أن العقد القادم من الرصد الفلكي قد يقدم الإجابة الحاسمة عما إذا كانت المادة المظلمة مكونة من جسيمات صغيرة أو كتل ضخمة غير مرئية، مما يقربنا خطوة أخرى من فهم الطبيعة الحقيقية للكون.