Dark Matter Particle Explorer: Ten-Year On-Orbit Performance and Scientific Outcomes

يمتلئ الكون بمسافرين غير مرئيين؛ هؤلاء هم الأشعة الكونية، وهي جسيمات عالية السرعة تهطل على الأرض من أعماق الفضاء. وعلى مدار ما يقرب من قرن من الزمان، تساءل العلماء عن مصدر هذه الجسيمات وكيف تكتسب مثل هذه السرعة الهائلة. وفي الوقت نفسه، يعلم علماء الفلك أن معظم الكون يتكون من شيء لا يمكنهم رؤيته على الإطلاق: المادة المظلمة. هذه المادة الغامضة لا تنبعث منها أضواء، لكن جاذبيتها هي التي تمسك بالمجرات وتمنعها من التشتت. وإذا كانت المادة المظلمة توجد في شكل جسيمات، فقد تتصادم أحياناً وتتلاشى، متحولة إلى جسيمات عادية مثل الإلكترونات أو أشعة غاما. إن العثور على هذه الإشارات المحددة سيكون بمثابة طفرة نوعية، مما يكشف عن الطبيعة الحقيقية للكون المظلم. ولإمساك هؤلاء الزوار العابرين، يحتاج العلماء إلى أدوات يمكنها قياس طاقة واتجاه الجسيمات بدقة متناهية، تتجاوز بكثير ما يمكن للتلسكوبات الأرضية القيام به.

في عام 2015، أطلقت الصين قمراً اصطناعياً يسمى "دامبي" (DAMPE)، والذي يعني "وو كونغ" تيمناً بـ "الملك القرد"، إلى المدار لصيد هذه القرائن. والآن، نشر فريق من الباحثين تقريراً عن السنوات العشر الأولى من تشغيل القمر الاصطناعي، يوضح بالتفصيل كيفية أداء الأداة وما اكتشفته. يحمل القمر الاصطناعي كاشفاً متطوراً صُمم ليعمل مثل كاميرا ثلاثية الأبعاد ضخمة للجسيمات؛ فهو مبني من أربع طبقات من المستشعرات. تلتقط الطبقة العليا الشحنة الكهربائية للجسيمات القادمة، وتحتها يوجد متعقب يسجل مسارها. أما قلب الآلة فهو كتلة سميكة من الكريستال تمتص الجسيمات وتقيس طاقتها الإجمالية. وأخيراً، توجد طبقة سفلية تبحث عن النيوترونات، مما يساعد في التمييز بين أنواع الجسيمات المختلفة. وعلى مدار العقد الماضي، سجلت هذه الأداة مليارات الأحداث، محافظة على أداء ثابت ودقيق يسمح للعلماء برسم خريطة لطاقة الأشعة الكونية بتفاصيل غير مسبوقة.

أحد أهم الإنجازات التي تم الإبلااء عنها هو قياس طيف الطاقة للإلكترونات وتوائمها من المادة المضادة، وهي البوزيترونات. ومن خلال تحليل البيانات من السنوات الأولى للمهمة، وجد الفريق انقطاعاً واضحاً في تدفق هذه الجسيمات. فمع زيادة طاقة الإلكترونات، ينخفض عدد الجسيمات بطريقة معينة، ولكن عند مستوى طاقة يبلغ حوالي 0.9 تيرا إلكترون فولت (TeV)، يتغير هذا النمط بشكل حاد. يشير هذا "الانقطاع" إلى أن مصدر هذه الإلكترونات عالية الطاقة ليس موحداً عبر المجرة، بل يشير نحو مُسرّع قريب ومحدد، مثل النباض (Pulsar)، أو ربما إشارة من تفاعل جسيمات المادة المظلمة. إن البيانات دقيقة بما يكفي لاستبعاد التراجع السلس والبسيط في الأعداد، مما يؤكد حدوث شيء معقد في السماء عالية الطاقة.

كما وجه القمر الاصطناعي اهتمامه إلى النوى الثقيلة التي تشكل معظم الأشعة الكونية، مثل البروتونات، والهيليوم، والكربون، والحديد. ولفترة طويلة، توقع العلماء أن تبدو أطياف الطاقة لهذه العناصر المختلفة متشابهة، ربما مع مجرد إزاحة ناتجة عن كتلتها. ومع ذلك، كشفت قياسات "دامبي" عن بنية جديدة مفاجئة؛ فعندما تصل طاقة هذه الجسيمات إلى نقطة معينة، تنخفض أعدادها بشكل أكثر حدة مما سبق. والأهم من ذلك، أن هذا الانخفاض يحدث عند "صلابة" (Rigidity) محددة، وهي مقياس لمدى صعوبة ثني مسار الجسيم باستخدام مجال مغناطيسي. وجد الفريق أن هذا التصلب يحدث عند نفس درجة الصلابة لكل من البروتونات، والهيليوم، والكربون، والأكسجين، والحديد، بغض النظر عن كتلتها. يوحي هذا السلوك العالمي بأن الحد يتم وضعه بواسطة عملية التسريع نفسها أو بكيفية انتقال هذه الجسيمات عبر المجرة، وليس بنوع الجسيم المحدد. يوفر هذا الاكتشاف دليلاً قوياً على أن مصادر الأشعة الكونية لها حد طاقة مشترك.

وفي البحث عن المادة المظلمة، بحث القمر الاصطناعي عن بصمة محددة للغاية: خط حاد ووحيد من أشعة غاما. إذا تصادمت جسيمات المادة المظلمة وفنت، فينبغي أن تنتج أشعة غاما بطاقة محددة جداً، تظهر كطفرة في البيانات. قام الباحثون بمسح نطاق واسع من الطاقات من 10 إلى 300 جيجا إلكترون فولت (GeV)، مستخدمين بلورات القمر الاصطناعي عالية الدقة للبحث عن هذه الطفرات. ولم يجدوا مثل هذه الخطوط. وبينما يعني هذا أنهم لم يجدوا دليلاً مباشراً على فناء المادة المظلمة في هذا النطاق من الطاقة، إلا أن النتيجة لا تزال قوية؛ فقد وضع القمر الاصطناعي حدوداً صارمة لمدى تكرار فناء المادة المظلمة، مما استبعد العديد من النماذج النظرية. وبما أن الأداة تتمتع بدقة طاقة عالية، فإن قيودها تنافس، وفي بعض الحالات تتفوق على، تلك القادمة من التلسكوبات الفضائية الكبرى الأخرى، رغم أنها جمعت بيانات إجمالية أقل.

وبعيداً عن البحث عن المادة المظلمة وأصل الأشعة الكونية، قامت المهمة أيضاً برسم خريطة لسلوك الجسيمات الثانوية. فعندما تصطدم الأشعة الكونية الأولية بالغاز في الفضاء، فإنها تخلق عناصر أخف مثل البورون. ومن خلال قياس نسبة البورون إلى العناصر الأثقل مثل الكربون والأكسجين، يمكن للعلماء فهم كيفية انجراف الأشعة الكونية عبر المجرة. وجد "دامبي" أن هذه النسبة تتغير بطريقة لم تتوقعها النماذج الكلاسيكية، مما يظهر "تصلباً" في الطيف عند الطاقات العالية. يشير هذا إلى أن طريقة انتشار الأشعة الكونية عبر المجرة تتغير عند السرعات العالية جداً، وربما تتباطأ أكثر مما هو متوقع. يضيف هذا الاكتشاف طبقة جديدة من التعقيد لفهمنا لكيفية حركة الجسيمات عبر الوسط بين النجوم.

ومع استمرار عمل القمر الاصطناعي، يعمل الفريق بالفعل على توسيع هذه القياسات لتشمل طاقات أعلى، ودفع حدود ما نعرفه عن أكثر الجسيمات طاقة في الكون. ويؤكد تقرير السنوات العشر أن الأداة لا تزال تعمل في ذروة أدائها، وهي مستعدة لجمع المزيد من البيانات التي قد تحل في النهاية الألغاز القائمة حول الأشعة الكونية والمادة المظلمة. إن النتائج التي تم التوصل إليها حتى الآن لم تقدم إجابة نهائية، لكنها رسمت خريطة أكثر وضوحاً للمشكلة، موضحةً بدقة أين تكمن الظواهر الشاذة وموجهةً الجيل القادم من التجارب.