AXIS Could Have Accessed Dark Matter Decays
على الرغم من عدم اختيار مهمة AXIS للتنفيذ، إلا أن تصميم أدواتها الناضج يعمل كمعيار مرجعي يوضح أن مرصداً مستقبلياً شبيهاً بـ AXIS في مجال الأشعة السينية يمكنه تحسين حدود عمر اضمحلال المادة المظلمة الحالية بما يصل إلى رتبة مقدار في نطاق الكيلو إلكترون فولت.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تُعد المادة المظلمة هي السقالات غير المرئية التي تمسك بالكون معاً. ويعرف علماء الفلك بوجودها لأن المجرات تدور بسرعة كبيرة جداً بحيث لا يمكن لجاذبية النجوم المرئية وحدها أن تحافظ على تماسكها، ولأن الضوء القادم من الأجرام البعيدة ينحني حول الكتلة غير المرئية. ومع ذلك، وعلى الرغم من عقود من البحث، لم يرَ أحد قط جسيماً للمادة المظلمة بشكل مباشر؛ فهي لا تضيء، ولا تعكس الضوء، ولا تتفاعل مع المادة العادية بأي طريقة يمكننا اكتشافها بسهولة. وتتمثل إحدى الأفكار الرائدة لحل هذا الغموض في أن المادة المظلمة قد لا تكون مستقرة تماماً، بل قد تكون جسيماً ثقيلاً بطيئ الحركة يتحلل أحياناً، متفككاً إلى جسيمات أخف، بما في ذلك الفوتونات، وهي جسيمات الضوء. وإذا حدث هذا، فإن تلك الفوتونات ستصل إلى الأرض كإشارة محددة للغاية وخافتة من الأشعة السينية، متميزة عن الخلفية الفوضوية للإشعاع الكوني. إن العثور على هذه الإشارة سيكون وسيلة مباشرة لتحديد ماهية المادة المظلمة.
استكشف فريق من الباحثين مؤخراً مدى قدرة تلسكوب فضائي مقترح، يسمى "القمر الصناعي المتقدم لتصوير الأشعة السينية" (AXIS)، على مطاردة هذه الإشارات الخافتة. ورغم أن المهمة لم تُنفذ، فقد استخدم العلماء خطط التصميم التفصيلية لمحاكاة كيفية أداء الجهاز. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان مرصد يتمتع بقدرات AXIS المحددة قادراً على رصد التوهج الناتج عن تحلل المادة المظلمة في مركز مجرتنا. ووجدت الدراسة أن تلسكوباً كهذا سيكون أداة قوية، قادرة على اكتشاف تحللات المادة المظلمة بحساسية تفوق بكثير ما يمكن للتلسكوبات الحالية تحقيقه، مما قد يحسن الحدود الحالية بمقدار عشرة أضعاف في نطاقات كتلة معينة.
ركز الباحثون على المركز المجري، وهو القلب الكثيف لمجرة درب التبانة، حيث يُتوقع أن يكون تركيز المادة المظلمة في أعلى مستوياته. وقد قاموا بنمذجة طريقتين مختلفتين لكيفية توزيع هذه المادة المظلمة في سحابة حول مركز مجرتنا؛ ففي أحد السيناريوهات، ترتفع كثافة المادة المظلمة بشكل حاد نحو المركز، بينما ترتفع في السيناريو الآخر بشكل أكثر اعتدالاً. كما أخذوا في الاعتبار حقيقة أن الكون مليء بالمادة المظلمة في كل مكان، وليس فقط في مجرتنا. كما أن الفوتونات الناتجة عن تحلل المادة المظلم في المجرات البعيدة ستصل إلينا أيضاً، لكن طاقتها ستكون قد تمددت إلى مستويات أقل بسبب توسع الكون. وقد دمج الفريق هذه المصادر للتنبؤ بالعدد الإجمالي لفوتونات الأشعة السينية التي سيجمعها تلسكوب شبيه بـ AXIS على مدى فترة طويلة من المراقبة.
ولتحديد ما إذا كان بإمكان التلسكوب العثور على الإشارة بالفعل، توجب على العلماء مراعاة الضجيج الذي قد يغطي عليها. ففي سماء الأشعة السينية، يوجد همهمة مستمرة من الإشعاع الخلفي القادم من الغاز الساخن في مجرتنا، والثقوب السوداء النشطة البعيدة، والجسيمات التي تصطدم بالتلسكوب نفسه. استخدم الفريق أحدث ملفات المحاكاة لجهاز AXIS لحساب عدد فوتونات الخلفية التي ستظهر في الكاشف بدقة. ثم قارنوا هذا الضجيج مع العدد الضئيل من الفوتونات الإضافية التي ستظهر إذا كانت المادة المظلمة تتحلل. وكان مفتاح نجاحهم هو تصميم التلسكوب: إذ سيمتلك مساحة تجميع كبيرة جداً لالتقاط أكبر عدد ممكن من الفوتونات، ومجال رؤية واسع لمسح مساحة كبيرة من السماء، والقدرة على تركيز الأشعة السينية بدقة فائقة، مما يسمح بتمييز تفاصيل صغيرة تصل إلى بضع ثوانٍ قوسية. هذا التركيز الحاد من شأنه أن يساعد في فصل إشارة المادة المظلمة الباهتة عن الخلفية الضبابية للمصادر الكونية الأخرى.
أظهرت نتائج المحاكاة أن جهازاً شبيهاً بـ AXIS سيكون قادراً على فحص أعمار المادة المظلمة التي تصل إلى حوالي 10 أس 31 ثانية تقرياً. ولتوضيح هذا الرقم، فإن عمر الكون يبلغ حوالي 13.8 مليار سنة، وهو ما يعادل تقريباً 4 أس 17 ثانية. وهذا يعني أن التلسكوب يمكنه اكتشاف جسيمات المادة المظلمة المستقرة لدرجة أنها ستعيش لفترات أطول بآلاف المرات من عمر الكون الحالي. وقد أثبتت الدراسة أنه بالنسبة لنطاق واسع من كتل المادة المظلمة المحتملة، وتحديداً في مقياس كيلو إلكترون فولت، سيكون التلسكوب الجديد قادراً على رؤية التحليات التي لا تستطيع أفضل مراصدنا الحالية رؤيتها. وسيكون التحسن في الحساسية كبيراً، حيث سيصل إلى مستويات أفضل بمقดับ عشري واحد مما هو متاح حالياً.
كما ترجم الباحثون هذه النتائج العامة إلى لغة نظريتين محددتين حول ماهية المادة المظلمة. تتضمن النظرية الأولى "الجسيمات الشبيهة بالأكسيون"، وهي جسيمات افتراضية يمكن أن تتحلل إلى فوتونين. وتتضمن النظرية الثانية "النيوترينوات العقيمة"، وهي نوع من النيوترينوات الثقيلة التي تتفاعل فقط من خلال الجاذبية ويمكن أن تتحلل إلى فوتون واحد ونيوترينو قياسي. ومن خلال تطبيق نتائج المحاكاة الخاصة بهم على هاتين النظريتين، أظهر الفريق أن تلسكوباً شبيهاً بـ AXIS يمكنه إما اكتشاف هذه الجسيمات أو استبعاد أجزاء كبيرة من حيز المعلمات حيث قد توجد. وبالنسبة للنيوترينو العقيم، أكدت الدراسة أن التلسكوب يمكنه اختبار كتل مسموح بها حالياً بموجب القيود الأخرى ولكن لم يتم رصدها مباشرة بعد.
وعلى الرغم من أن مهمة AXIS نفسها لم يتم اختيارها للبناء، إلا أن هذا العمل يعد بمثابة معيار حيوي لمستقبل علم فلك الأشعة السينية. وتثبت الدراسة أن الجمع بين مساحة التجميع الكبيرة، ومجال الرؤية الواسع، والتصوير عالي الدقة هو الوصفة المثالية للبحث عن خطوط الضوء الخافتة والضيقة الناتجة عن تحلل المادة المظلمة. وأشار الباحثون إلى أن المهمات المقترحة الأخرى، مثل "راسم انبعاث الخطوط" (Line Emission Mapper)، قد تحقق حساسية أكبر بسبب دقة الطاقة المتفوقة لديها، مما يسمح لها بتمييز الإشارة عن ضجيج الخلفية بشكل أكثر فعالية. ومع ذلك، يظل مفهوم AXIS نموذجاً قوياً لنوع الأجهزة اللازمة لإلقاء نظرة أخيرة على المادة غير المرئية التي تشكل كوننا. وتشير النتوات إلى أنه إذا كانت المادة المظلمة تتحلل على الإطلاق، فإن الجيل القادم من تلسكوبات الأشعة السينية سيكون هو من سيجدها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.