Constraint on particle mass of dark matter based on XTE J1814-338 observation and DANS model

في أعماق الكون، تُعد النجوم النيوترونية من أكثر الأجسام تطرفاً في الوجود. فهي النوى المنهارة لنجوم ضخمة ماتت، حيث سُحقت بفعل جاذبيتها الخاصة حتى أصبح وزن ملعقة صغيرة واحدة من مادتها يعادل وزن جبل. لعقود من الزمن، استخدم علماء الفلك هذه البقايا النجمية كمختبرات طبيعية لفهم كيفية سلوك المادة عندما تُضغط إلى كثافات لا يمكن إعادة إنتاجها على الأرض. تذهب الرؤية السائدة إلى أن النجم النيوتروني يتكون بالكامل من مادة نووية عادية، مضغوطة بشدة لدرجة أن البروتونات والإلكترونات تندمج لتصبح نيوترونات. ومع ذلك، فإن ملاحظة حديثة قد أربكت هذه الصورة المألوفة؛ إذ يبدو أن نجماً نيوترونياً معيناً، يُعرف باسم XTE J1814-338، أصغر بكثير مما تتوقعه النظريات لوزنه. فبينما يُتوقع أن يكون معظم النجوم النيوترونية ذات الكتلة المماثلة بعرض حوالي عشرة كيلومترات، فإن هذا النجم يبلغ قطره سبعة كيلومترات فقط. ويخلق هذا الحجم الضئيل لغزاً: فالقوانين المعروفة للفيزياء المتعلقة بالمادة العادية تجد صعوبة في تفسير كيف يمكن لشيء بهذا الثقل أن يُضغط في مساحة صغيرة كهذه دون أن ينهار بشكل أكبر.

ولحل هذا الغموض، وجه فريق من الباحثين اهتمامهم إلى الكون غير المرئي. فقد اقترحوا أن هذا النجم النيوتروني قد لا يتكون من المادة العادية وحدها، بل هو جسم هجين يحتوي على كمية كبيرة من المادة المظلمة. المادة المظلمة هي مادة غامضة تشكل معظم الكتلة في الكون، لكنها لا تبعث الضوء أو تعكسه، مما يجعلها غير مرئية للتلسكوبات. ورغم أننا لا نستطيع رؤيتها، إلا أننا نعلم بوجودها بسبب تأثير جاذبيتها على المجرات. واقترح الباحثون أنه إذا التقط النجم النتروني ما يكفي من هذه المادة المظلمة خلال حياته، فقد تستقر المادة المظلمة داخل النجم وتغير بنيته. ومن خلال خلط هذه المادة غير المرئية مع المادة النووية العادية، يمكن للنجم أن يصبح أكثر اندماجاً (أكثر تراصاً)، مما قد يفسر سبب صغر حجم XTE J1814-338. وقد شرع الفريق في اختبار هذه الفكرة عبر بناء نموذج مفصل لنجم "مخلوط بالمادة المظلمة" ومعرفة ما إذا كان بإمكانه مطابقة الملاحظات الواقعية.

بدأ العلماء ببناء نموذج نظري لنجم نيوتروني يحتوي على سائلين متميزين: المادة النووية العادية التي نعرفها، وسائل ثانٍ مكون من جسيمات المادة المظلمة. وفي نموذجهم، افترضوا أن جسيمات المادة المظلمة هذه هي "فرميونات"، وهي نوع من الجسيمات التي تتبع قواعد كمومية محددة، وأنها تتفاعل مع بعضها البعض من خلال قوة تنافر، تماماً كما تتنافر أقطاب المغناطيس عندما تكون متماثلة. هذا التفاعل الذاتي أمر بالغ الأهمية لأنه يمنع المادة المظلمة من الانهيار إلى نقطة ضئيلة، مما يسمح لها بتكوين نواة أو هالة مستقرة داخل النجم. ثم استخدم الباحثون معادلات معقدة لحساب كيفية سلوك النجم تحت تأثير الجاذبية، وتحديد العلاقة بين الكتلة الإجمالية للنجم ونصف قطره لمختلف كميات المادة المظلمة. واختبروا نموذجهم مقابل القياسات المحددة لـ XTE J1814-338، الذي تبلغ كتلته حوالي 1.21 ضعف كتلة شمسنا ونصف قطره سبعة كيلومترات فقط.

كشفت حساباتهم أن نجماً نيوترونياً قياسياً مكوناً من المادة العادية فقط لا يمكنه الانكماش إلى سبعة كيلومترات دون كسر قوانين الفيزياء. ومع ذلك، عندما أدخلوا المادة المظلمة في المزيج، تغيرت النتائج بشكل كبير. فقد وجدوا أنه إذا احتوى النجم على نسبة كبيرة من المادة المظلمة، فيمكن للنجم بالفعل أن ينكمش إلى الحجم المرصود مع بقائه مستقراً. وبالنسبة لظروف معينة تتضمن تفاعلات ذاتية ضعيفة، فإن هذه النسبة محصورة في نطاق ضيق يتراوح بين 66% إلى 67% تقريباً من الكتلة الإجمالية. لكن هذا الحل لا يعمل إلا إذا كانت جسيمات المادة المظلمة ذات وزن محدد جداً وتتفاعل مع بعضها البعض بطريقة دقيقة. فقد اكتشف الباحثون أنه لكي يتناسب النموذج مع الملاحظة، يجب أن تتراوح كتلة جسيمات المادة المظلمة بين 0.84 و3.98 مرة من كتلة البروتون تقريباً. فإذا كانت الجسيمات أخف أو أثقل بكثير، فسيكون النجم إما أكبر حجماً أو غير مستقر بما يكفي للوجود كما هو مرصود.

علاوة على ذلك، تحقق الفريق من نتائجهم مقابل الحدود المعروفة الأخرى للمادة المظلمة. فقد درس علماء الفلك سابقاً كيفية سلوك المادة المظلمة في الاصطدامات الهائلة بين العناقيد المجرية، مما يضع حدوداً صارمة على مدى قوة تفاعل جسيمات المادة المظلمة مع بعضها البعض. ووجد الباحثون أن النوع المحدد من المادة المظلمة المطلوب لتفسير النجم النيوتروني الصغير يتناسب تماماً مع هذه الحدود الكونية القائمة. وهذا الاتفاق بين ملاحظة النجم النيوتروني وبيانات عناقيد المجرات يعزز حالة نموذجهم. كما اختبروا أيضاً كيف ستؤثر الافتراضات المختلفة حول "صلابة" المادة النووية العادية على النتائج. وحتى عندما قاموا بتغيير خصائص المادة العادية، ظل اشتراط أن تكون كتلة جسيمات المادة المظلمة في النطاق الذي يتراوح بين 0.84 و3.98 من كتلة البروتون ثابتاً. وهذا يشير إلى أن الاستنتاج قوي وليس مجرد صدفة ناتجة عن عملية حسابية محددة.

لا تدعي الدراسة أنها أثبتت وجود المادة المظلمة داخل هذا النجم تحديداً، لكنها توضح أن مثل هذا السيناريو ممكن فيزيائياً ومتسق مع البيانات الحالية. وهي تقدم تفسيراً مقنعاً لسبب صغر حجم XTE J1418-338، وهي سمة لطالما حيرت علماء الفلك. ويشير العمل إلى أنه إذا كان هذا النموذج صحيحاً، فإن المادة المظلمة داخل النجم يجب أن تشكل جزءاً كبيراً من وزنه الإجمالي، وهو أكثر بكثير مما قد يتوقع المرء من نجم يمر ببساطة عبر المجرة ويلتقط بعض الجسيمات العابرة. وهذا يوحي بتاريخ تكوين فريد، ربما يتضمن تشكل النجم مباشرة من سحابة كثيفة من المادة المظلمة أو اندماجه مع جسم مظلم آخر. وبينما يظل الأصل الدقيق لغزاً، فإن الدراسة توفر مساراً واضحاً للمضي قدماً؛ فهي تحصر الخصائص الممكنة لجسيمات المادة المظلمة في نطاق كتلة محدد، مما يوفر هدفاً جديداً للملاحظات المستقبلية. ومع استمرار التلسكوبات وكواشف الأمواج الثقالية في رسم خرائط الكون، قد تتمكن من التأكد مما إذا كانت هذه النجوم الصغيرة والثقيلة تخفي بالفعل لباً سرياً من المادة المظلمة، مما سيغير فهمنا جذرياً لما تتكون منه هذه العمالقة الكونية.