Infrared Lines from Sterile-Neutrino Transition Magnetic Moments at JWST

على مدى عقود، عرف علماء الفلك أن الكون مليء بمادة أكثر بكثير مما يمكننا رؤيته. هذه المادة غير المرئية، المعروفة باسم المادة المظلمة، تمسك المجرات معاً وتُشكل الشبكة الكونية، ومع ذلك فهي ترفض الكشف عن طبيعتها الحقيقية. وبينما تقترح نظريات عديدة أن المادة المظلمة مستقرة تماماً ولا تتغير أبداً، تقترح نظريات أخرى أنها قد تكون في طور التلاشي ببطء، متحولة إلى جسيمات عادية على مدى مليارات السنين. وإذا حدث هذا التحلل البطيء، فقد يترك وراءه بصمة خافتة ومحددة: لوناً واحداً من الضوء، مثل منارة صغيرة غير مرئية، تنبعث أثناء تفكك المادة المظلمة. إن العثور على هذا الضوء سيكون اكتشافاً هائلاً، يقدم لمحة مباشرة عن فيزياء الجسيمات التي تحكم الكون غير المرئي.

لقد وجه فريق من الباحثين الآن أقوى تلسكوب يعمل بالأشعة تحت الحمراء بُني على الإطلاق نحو السماء المظلمة للبحث عن هذه الإشارات الخافتة. وباستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، بحثوا عن نوع محدد جداً من الضوء الذي يمكن أن ينتجه شكل افتراضي من المادة المظلم تسمى "النيوترينو العقيم". وخلافاً للنيوترينوهات التي نعرفها، والتي تتفاعل مع الجسيمات الأخرى، فإن النيوترينوهات العقيمة شبحية وبالكاد تلمس أي شيء آخر. ركز الباحثون على سيناريو يتحلل فيه نيوترينو عقيم أثقل إلى نيوترينو أخف، مطلقاً فوتوناً، أو جسيماً ضوئياً، في هذه العملية. والتحول الفريد في هذه النظرية هو أن طاقة الضوء المنبعث لا تعتمد على الوزن الإجمالي للمادة المظلمة، بل على الفرق الضئيل في الوزن بين النسختين الثقيلة والخفيفة. وهذا يعني أنه حتى لو كانت جسيمات المادة المظلمة ثقيلة نسبياً، فإن الضوء الذي تبعثه يمكن أن يكون منخفض الطاقة جداً، ليقع في جزء الأشعة تحت الحمراء حيث يتفوق التلسكوب.

قام الفريق بتحليل بيانات من بقعة من السماء الفارغة بالقرب من مجرة بعيدة، وهي منطقة اختيرت لأنها خالية من الغبار والنجوم الساطعة التي عادة ما تملأ رؤيتنا للكون. بحثوا عن طفرة حادة وضيقة في ضوء الأشعة تحت الحمراء يمكن أن تبرز وسط التوهج الطبيعي السلس للخلفية الكونية. ومن خلال نمذجة الخلفية بدقة والبحث عن أي زيادة غير متوقعة في الضوء، سعوا لتحديد ما إذا كان مثل هذا الإشارة موجودة. لم يجدوا كشفاً مؤكداً لهذا التحلل. وبدلاً من ذلك، وضع عملهم أشد القيود صرامة حتى الآن على مدى تكرار حدوث هذه العملية. لقد حسبوا أنه إذا كانت هذه النيوترينوهات العقيمة تشكل كل المادة المظلمة في مجرتنا، فإن المعدل الذي تتحلل به يجب أن يكون بطيئاً للغاية، ويجب أن يكون قوة التفاعل المغناطيسي الذي يسمح لها بالتحلل أضعف من عتبة محددة وضئيلة.

بالإضافة إلى اختبار فكرة النيوترينو العقيم، تحقق الباحثون أيضاً من نوع آخر من مرشحي المادة المظلمة يُعرف باسم "الماجورون"، والذي سيتحلل عن طريق الانقسام إلى فوتونين. وقد كان هذا البحث بمثابة مقارنة لإظهار أن أساليبهم يمكن أن تنجح مع أنواع مختلفة من الجسيمات غير المرئية. ومرة أخرى، لم يتم العثور على أي إشارة، لكن الفريق تمكن من استبعاد نطاق واسع من الاحتمالات لكيفية تفاعل هذه الجسيمات مع الضوء. تُظهر النتائج أن تلسكوب جيمس ويب الفضائي هو أداة جديدة قوية لصيد المادة المظلمة، قادرة على سبر أغوار منطقة من الفيزياء لا تستطيع تلسكوبات الأشعة السينية والتجارب المختبرية الوصول إليها. ومن خلال البحث عن هذه الخطوط الخافتة للأشعة تحت الحمراء، توضح الدراسة أننا نستطيع الآن اختبار الأفكار حول الكون غير المرئي بدقة لم تكن ممكنة من قبل، مما يضيق المسار نحو فهم ماهية المادة المظلمة حقاً.