Absorption of bound supernova axion-like particles by the neutron star weakens the heating limits on their photon coupling

في قلب نجم منهار عنيف، يخلق انفجار مستعر أعظم (سوبرنوفا) ظروفًا شديدة للغاية لدرجة أنها تولد جسيمات لم نرها قط على الأرض. ومن بين هذه الجسيمات الافتراضية، توجد الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات (axion-like particles)، وهي كيانات شبحية ضئيلة تتفاعل بضعف شديد مع المادة العادية. إذا كانت هذه الجسيمات موجودة، فإنها تُنتج بأعداد هائلة داخل النجم النيوتروني الوليد، وهو البقايا الكثيفة للغاية المتبقية بعد الانفجار. بعض هذه الجسيمات سريع بما يكفي للهروب من النجم والطيران خارج الكون، لكن البعض الآخر أبطأ. هذه الجسيمات الأبطأ لا تستطيع الهروب من الجاذبية الشديدة للنجم النيوتروني؛ وبدلاً من ذلك، تصبح محاصرة، وتدور حول النجم في سحابة واسعة غير مرئية. لعقود من الزمن، تساءل الفيزيائيون عما إذا كان من الممكن اكتشاف هذه السحابة المحاصرة. كانت الفكرة هي أنه مع تحلل هذه الجسيمات في نهاية المطاف، فإنها ستتحول إلى ضوء، مما يؤدي إلى تسخين سطح النجم النيوتروني القديم الذي يبرد. وإذا تمكنا من قياس هذه الحرارة الإضافية، فقد نثبت أخيرًا وجود هذه الجسيمات.

ومع ذلك، فإن دراسة جديدة أجراها باحثون في المعهد الوطني للتكنولوجيا في روركيلا، الهند، قد غيرت هذه الصورة جذريًا من خلال إظهار أن النجم نفسه يعمل كمكنسة كونية كهربائية. أدرك الباحثون أن الحسابات السابقة قد أغفلت تفصيلًا حاسمًا: بينما تدور هذه الجسيمات المحاصرة حول النجم، فإن مساراتها ليست دائرية تمامًا. العديد من هذه المدارات تغوص عميقًا في باطن النجم. ولأن النجم يتكون من مادة كثيفة للغاية، فإن أي جسيم يغوص في الداخل يتم امتصاصه وتدميره فورًا بواسطة المادة النووية الكثيفة. حسب الباحثون أنه لكي ينجو الجسيم لمئات الملايين من السنين، يجب أن يبقى في مدار محدد للغاية وواسع لا يلمس سطح النجم أبدًا. هذا الاكتشاف يعني أن الغالبية العظمى من الجسيمات المحاصرة تُباد قبل وقت طويل من قدرتها على التحلل وتسخين النجم.

للوصول إلى هذا الاستنتاج، بنى الفريق محاكاة حاسوبية مفصلة لكيفية تطور نجم نيوتروني حديث الولادة خلال أول عشر ثوانٍ من حياته. تتبعوا مسارات الملايين من هذه الجسيمات الافتراضية بينما كان النجم يتقلص ويبرد. ووجدوا أن جاذبية النجم تسحب مدارات الجسيمات نحو الداخل، مما يتسبب في اصطدام العديد منها بالنجم. وبمجرد دخولها، يتم امتصاص الجسيمات بواسطة المادة النووية الكثيفة في غضون دقائق أو حتى ثوانٍ، وهي عملية أسرع بكثير من الوقت الذي يستغرقه تحللها. الجسيمات الوحيدة التي تنجو هي تلك التي تولد في الطبقات الخارجية للنجم بالسرعة والاتجاه المناسبين للبقاء في مدار دائري آمن بعيدًا عن السطح. هؤلاء الناجون نادرون، ولا يحملون سوى جزء ضئيل من الحرارة التي توقعتها النظريات السابقة.

هذا الاكتشاف يفرض مراجعة كبرى للحدود المتعلقة بكيفية تفاعل هذه الجسيمات مع الضوء. اقترحت الدراسات السابقة أنه إذا كانت هذه الجسيمات موجودة، فإنها ستسخن النجوم النيوترونية القديمة إلى درجات حرارة يمكننا اكتشافها بسهولة. ولأن الدراسة الجديدة تظهر أن معظم الجسيمات يتم امتصاصها، فإن تأثير التسخين أضعف بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. وبناءً على ذلك، تغيرت قواعد ما هو ممكن؛ فقد وجد الباحثون أن نافذة صغيرة من الاحتمالية لا تزال قائمة حيث يمكن لهذه الجسيمات أن تنجو وتسخن النجم، لكن الشروط أكثر صرامة بكثير. يجب أن تكون الجسيمات أثقل وتتفاعل مع الضوء بطريقة محددة جدًا تلغي التأثيرات الطبيعية الأخرى. وحتى مع هذه الشروط الصارمة، تظهر الدراسة أن أقدم وأبرد نجم نيوتروني معروف، PSR J2144−3933، لا يزال يستبعد نطاقًا محددًا من كتل الجسيمات.

استكشف الباحثون أيضًا كيف يؤثر حجم النجم النيوتروني النهائي على النتيجة. ووجدوا أن نصف قطر النجم عامل حاسم؛ فالنجم الأكبر قليلاً يسمح لمزيد من الجسيمات بالبقاء لأن مداراتها يمكن أن تبقى بعيدة عن السطح. أظهرت عمليات المحاكاة التي أجروها أن تغيير نصف قطر النجم ببضعة كيلومترات فقط يمكن أن يغير عدد الجسيمات الناجية بمعامل يصل إلى أربعة أضعاف تقريبًا. علاوة على ذلك، نظروا في طرق أخرى قد تُنشأ بها هذه الجسيمات، مثل التفاعلات مع "البيونات" (pions)، وهي نوع من الجسيمات الموجودة داخل النجم. هذه العمليات الإضافية تساعد في الواقع على بقاء المزيد من الجسيمات، مما يوسع نطاق الكتل المحتملة التي يمكن أن توجد فيها، ولكن التسخين الإجمالي يظل ضعيفًا.

في النهاية، هذا العمل لا يثبت عدم وجود هذه الجسيمات، ولكنه يثبت أنها أصعب في العثلة مما كنا نأمل. إن إشارة "التسخين" التي كان علماء الفلك يبحثون عنها من المرجح أنها خافتة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالتلسكوبات الحالية لأن النجم يمتص الجسيمات قبل أن تتمكن من أداء عملها. تشير الدراسة إلى أنه إذا كانت هذه الجسيمات موجودة، فهي تختبئ في نطاق ضيق جدًا من الخصائص، وأن العثور عليها سيتطلب إما تلسكوبات أكثر حساسية أو طريقة مختلفة للكشف. ويؤكد الباحثون أن نتائجهم تعتمد على نماذج محددة لكيفية سلوك النجوم النيوترونية، ويمكن للملاحظات المستقبلية لهذه النجوم أن تعمل على تنقيح هذه الصورة بشكل أكبر. في الوقت الحالي، ليست السحابة الشبحية من الجسيمات حول النجم النيوتروني منارة دافئة ومتوهجة، بل هي مجموعة شحيحة من الناجين الذين نجحوا في مراوغة قبضة النجم الجائعة.