Asteroseismology of Neutron Stars with Axion-Like Particle Mediated Dark Matter

الكون مليء بالمادة التي لا يمكننا رؤيتها. يطلق الفلكيون على هذه المادة غير المرئية اسم المادة المظلمة، وهي تشكل الغالبية العظمى من الكون. وبينما نعرف بوجودها من خلال كيفية تأثيرها في سحب النجوم والمجرات المرئية، لم يتمكن أحد قط من تحديد نوع الجسيمات التي تتكون منها بشكل مباشر. يقع هذا الغموض عند تقاطع مجالين عظيمين من مجالات العلوم: فيزياء الجسيمات، التي تدرس أصغر لبنات بناء الطبيعة، والفيزياء الفلكية، التي تدرس أكبر الهياكل في الكون. ولحل هذه المعضلة، غالباً ما يتطلع العلماء إلى البيئات الأكثر تطرفاً في الكون، مثل النجوم النيوترونية. هذه النجوم هي النوى المسحوقة للنجوم الميتة، وهي كثيفة لدرجة أن ملعقة صغيرة واحدة من مادتها ستزن مليارات الأطنان. ولأنها ثقيلة ومدمجة للغاية، فإنها تعمل كمختبرات طبيعية حيث تُدفع قوانين الفيزياء إلى أقصى حدودها. وإذا كانت جسيمات المادة المظلمة موجودة وتتفاعل مع المادة العادية، فقد تُحتجز داخل هذه البقايا النجمية، مما يغير سلوك النجوم بشكل طفيف.

لقد استكشف فريق من الباحثين مؤخراً هذا الاحتمال من خلال التساؤل عما سيحدث إذا عمل نوع محدد من الجسيمات النظرية، المعروف باسم "الجسيمات الشبيهة بالأكسيون"، كجسر بين المادة المظلمة والمادة العادية داخل النجم النيوتروني. في دراستهم، قاموا ببناء نموذج حاسوبي مفصل لنجم نيوتروني يحتوي على كل من المادة النووية العادية وسحابة من جسيمات المادة المظلمة هذه. لم يكتفوا بالنظر إلى حجم النجم أو وزنه فحسب؛ بل فحصوا أيضاً كيف سيهتز النجم إذا تعرض للاضطراب، تماماً مثل جرس يرن بعد قرعه. ومن خلال محاكاة كيفية تغير هذه الاهتزازات عند وجود المادة المظلمة، هدف الباحثون إلى إيجاد بصمة فريدة يمكن أن تساعد علماء الفلك في التمييز بين نظريات مختلفة للمادة المظلمة وأنواع مختلفة من الأجزاء الداخلية للنجوم.

بدأ الباحثون ببناء نموذج لنجم نيوتروني يتضمن تأثيرات هذه الجسيمات الشبيهة بالأكسيون. لقد عاملوا المادة المظلمة كسائل يمتزج مع قلب النجم، ويحكمه خاصيتان رئيسيتان: كتلة جسيمات المادة المظلمة ومدى كثافة تكدسها. وعندما أجروا عمليات المحاكاة الخاصة بهم، وجدوا أن إضافة مكون المادة المظلمة هذا جعل البنية الداخلية للنجم أكثر ليونة وقابلية للانضغاط. وبعبارة أبسط، جعلت المادة المظلمة من السهل عصر النجم. ونتيجة لذلك، أصبحت النجوم في نماذجهم أصغر حجماً وأقل كتلة مما لو كانت تحتوي على المادة العادية فقط. فعلى سبيل المثال، عندما زادوا كمية المادة المظلمة في عمليات المحاكاة، انخفض الوزن الأقصى الذي يمكن للنجم تحمله قبل الانهيار بشكل كبير. وفي بعض الحالات، شكلت المادة المظلمة ما يقرب من نصف كتلة النجم الإجمالية، ومع ذلك أصبح النجم نفسه أكثر اندماجاً وأقل استقراراً.

كان لهذا التغيير في الحجم والوزن تأثير مباشر على كيفية استجابة النجم للقوى الخارجية. فقد حسب الباحثون خاصية تسمى "القابلية للتشوه المدّي"، والتي تقيس مدى سهولة تمدد شكل النجم بفعل جاذبية جسم قريب. وأظهرت نماذجهم أنه مع زيادة محتوى المادة المظلمة، أصبح النجم أصعب في التمدد، مما يعني أن قابليته للتشوه المدّي انخفضت. وهذا اكتشاف بالغ الأهمية لأن علماء الفلك قد قاسوا هذه الخاصية بدقة في نجوم نيوترونية حقيقية اصطدمت واندمجت، مرسلة موجات عبر الزمكان تُعرف بالموجات الثقالية. وقارن الباحثون نجومهم المحاكات بالبيانات المستمدة من هذه الأحداث الكونية الحقيقية. ووجدوا أنه بينما يمكن لكميات صغيرة من المادة المظلمة أن تظل ضمن الحدود المرصودة، فإن الكميات الكبيرة من المادة المظلمة ستجعل النجوم أصغر حجماً وأكثر صلابة مما رأيناه بالفعل في السماء. وهذا يشير إلى أنه إذا كانت الجسيمات الشبيهة بالأكسيون موجودة، فلا يمكن أن تكون وفيرة جداً داخل النجوم النيوترونية، وإلا لكانت ملاحظاتنا الحالية تبدو مختلفة تماماً.

وبعيداً عن شكل النجم، بحث الفريق أيضاً في كيفية اهتزاز النجم. لقد نظروا في نوعين من الاهتزازات: التذبذبات الشعاعية، حيث يتمدد النجم وينكمش مثل بالون يتنفس، والتذبذبات غير الشعاعية، وهي تمايلات أكثر تعقيداً تغير شكل النجم. واكتشفوا أن وجود المادة المظلمة أدى إلى إزاحة تردد هذه الاهتزازات. ورغم أن النجوم التي تحتوي على مادة مظلمة كانت أخف وزناً، إلا أنها كانت أيضاً أكثر كثافة في المتوسط لأن المادة المظلمة ضغطت اللب بقوة أكبر. وقد أدت هذه الكثافة المتزايدة إلى جعل "النابض" الداخلي للنجم أكثر صلابة، مما تسبب في اهتزازه بنغمة أعلى. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، ارتفع تردد الاهتزاز الأساسي لنجم نيوتروني قياسي من حوالي 1.51 كيلو هرتز إلى أكثر من 2.4 كيلو هرتز مع زيادة كتلة جسيمات المادة المظلمة. وفي الوقت نفسه، أصبح الوقت الذي تستغرقه هذه الاهتزازات لتتلاشى، والمعروف باسم "زمن التخميد"، أقصر. وهذا يعني أن النجم الذي يحتوي على مادة مظلمة سيرن بصوت أعلى وأحدّ، لكن صوته سيتلاشى بسرعة أكبر من نجم مكون من المادة العادية وحدها.

كما تحقق الباحثون من استقرار هذه النجوم. ووجدوا أن النقطة التي يصبح فيها النجم غير مستقر وينهار إلى ثقب أسود قد انزاحت عند إضافة المادة المظلمة. وفي نماذجهم، انخفضت الكتلة القصوى التي يمكن للنجم حملها، وزادت الكثافة المطلوبة للوصول إلى نقطة الانهيار هذه. وهذا يعني أن النجم الذي قد يكون مستقراً في الحالة العادية يمكن أن يصبح غير مستقر وينهار إذا تراكمت فيه كمية كافية من المادة المظلمة. ومع ذلك، فقد كان الفريق حريصاً على الإشارة إلى أن هذه النتائج تستند إلى افتراضات محددة حول كيفية تفاعل المادة المظلمة وكيفية تشكل النجم. فهم لم يحسبوا بالضبط كمية المادة المظلمة التي قد يلتقطها نجم حقيقي من الفضاء، لذا يجب النظر إلى الكميات الكبيرة من المادة المظلمة التي قاموا بمحاكاتها كاحتمالات نظرية وليس كتنبؤات مضمونة. وتعمل الدراسة كدليل لما يجب البحث عنه، حيث توضح أنه إذا كانت المادة المظلمة موجودة، فإنها تترك بصمة واضحة على حجم النجم، واستجابته للجاذبية، وأنماط اهتزازه.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل طريقة جديدة لاختبار طبيعة المادة المظلمة باستخدام أكثر الأجسام تطرفاً في الكون. وخلص الباحثون إلى أنه من خلال الجمع بين قياسات كتلة النجم النيوتروني، وحجمه، واستجابته للمدّ، وترددات اهتزازه، يمكن لعلماء الفلك تحديد ما إذا كانت المادة المظلمة مختبئة في الداخل. إن البصمات التي وجدوها متميزة: نجم أصغر حجماً، وأصعب في العصر، ويهتز بنغمة أعلى ويتلاشى بشكل أسرع. ورغم أن هذه التغييرات قد تنتج أيضاً عن فيزياء غريبة أخرى داخل النجم، إلا أن النمط المحدد الذي تخلقه الجسيمات الشبيهة بالأكسيون يقدم هدفاً فريداً للملاحظات المستقبلية. ومع زيادة حساسية التلسكوبات وكواشف الموجات الثقالية، قد يتمكن العلماء قريباً من رصد هذه التحولات الطفيفة، محولين اهتزازات النجوم الميتة البعيدة إلى أداة لحل واحد من أكبر ألغاز الفيزياء.