موجات الجاذبية قد تكشف عن المادة المظلمة التي تحول النجوم النيوترونية إلى ثقوب سوداء – عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 19 سبتمبر 2023 10:39 صباحًا
عقدة المصدر: 2888677

النجم النيوتروني
التحول: يمكن للنجوم النيوترونية أن تجمع المادة المظلمة التي تحولها إلى ثقوب سوداء صغيرة. (الصورة من: مختبر الصور المفاهيمية التابع لمركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا)

أظهر فريق من علماء الفيزياء النظرية في الهند أن موجات الجاذبية يمكن أن تكشف عن الدور الذي يمكن أن تلعبه المادة المظلمة في تحويل النجوم النيوترونية إلى ثقوب سوداء.

المادة المظلمة هي مادة افتراضية غير مرئية تم استدعاؤها لتفسير السلوك الغريب للهياكل واسعة النطاق مثل المجرات وعناقيد المجرات - وهو السلوك الذي لا يمكن تفسيره بالجاذبية وحدها.

إذا كانت المادة المظلمة موجودة، فيجب أن تتفاعل مع المادة العادية عبر الجاذبية. ومع ذلك، تتنبأ بعض النماذج بأن المادة المظلمة يمكن أن تتفاعل أيضًا مع المادة العادية من خلال تفاعلات ضعيفة للغاية غير متعلقة بالجاذبية.

ضعيفة ولكنها كافية

"التفاعل غير الجاذبية يعني أنه من المتوقع أن يكون لدى [جسيمات المادة المظلمة] نوع من التفاعل مع البروتونات والنيوترونات". سولاجنا بهاتاشاريا قال عالم الفيزياء. ويضيف بهاتاشاريا، وهو طالب دراسات عليا في معهد تاتا للأبحاث الأساسية في مومباي: "قد تكون هذه التفاعلات ضعيفة للغاية، لكنها قد تكون كافية للسماح لجزيئات المادة المظلمة بالتقاطها داخل نجم نيوتروني".

النجوم النيوترونية هي البقايا الأساسية الكثيفة للنجوم الضخمة التي انفجرت على شكل مستعرات أعظم. إنها صغيرة جدًا، ربما يبلغ عرضها عشرة كيلومترات، لكن كتلتها أكبر من كتلة الشمس. إن قلب النجم النيوتروني كثيف للغاية لدرجة أنه يمكن أن يزيد من احتمالية التفاعلات بين المادة العادية والمادة المظلمة.

الحد الأقصى للكتلة النظرية التي يمكن أن يمتلكها النجم النيوتروني هي 2.5 كتلة شمسية، ولكن في الواقع معظمها أصغر بكثير، حوالي 1.4 كتلة شمسية. ستتعرض النجوم النيوترونية التي تزيد كتلتها عن 2.5 كتلة شمسية لانهيار الجاذبية لتشكل ثقوبًا سوداء.

سد الفجوة

يمكن أيضًا أن تتشكل الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية مباشرةً من المستعرات الأعظم (انفجارات النجوم الكبيرة)، لكن النمذجة النظرية تشير إلى أن الثقوب السوداء لا ينبغي أن تتواجد عند كتلة تتراوح ما بين 2 إلى 5 كتلة شمسية. وحتى وقت قريب، كان هذا مدعومًا بأدلة المراقبة. ومع ذلك، بدءًا من عام 2015، كشفت عمليات رصد موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج أزواج الثقوب السوداء عن وجود ثقوب سوداء ضمن هذه الفجوة الكتلية.

على سبيل المثال، GW 190814 كان حدثًا لموجة الجاذبية تم اكتشافه في عام 2019، واشتمل على جسم تتراوح كتلته بين 2.50 و2.67 كتلة شمسية. حدث غامض آخر كان GW 190425تم اكتشافه أيضًا في عام 2019، حيث تبلغ كتلة الجسم المدمج 3.4 كتلة شمسية. وهذه كتلة إجمالية أعلى بكثير من أي نظام نجم نيوتروني ثنائي معروف.

الآن بهاتاشاريا، المشرف عليها باسوديب داسغوبتا، بالإضافة إلى رانجان لاها من المعهد الهندي للعلوم و أنوبام راي اقترح باحثون من جامعة كاليفورنيا في بيركلي أن تراكم المادة المظلمة داخل قلب النجم النيوتروني من شأنه أن يزيد من كثافة النواة إلى درجة أنها تنهار لتشكل ثقبًا أسود مصغرًا. ثم ينمو هذا الثقب الأسود ويبتلع النجم النيوتروني. وستكون النتيجة ثقبًا أسودًا بكتلة أقل من المتوقع. وسيكون اكتشاف مثل هذه الثقوب السوداء منخفضة الكتلة بمثابة دليل محير على وجود المادة المظلمة.

"غريبة من الناحية الفيزيائية الفلكية"

يقول بهاتاشاريا، وهو المؤلف الرئيسي لورقة بحثية تصف هذه الفرضية في دورية "إن هذه الأجسام المدمجة ستكون غريبة من الناحية الفيزيائية الفلكية". استعراض للحروف البدنية. تطرح ورقتهم البحثية GW 190814 وGW 190425 كعمليات اندماج يمكن أن تتضمن ثقوبًا سوداء تكونت بمساعدة المادة المظلمة.

وسواء كانت الثقوب السوداء المتحولة من النجوم النيوترونية موجودة أم لا، يقول بهاتاشاريا إن البحث عنها سيوفر "بعض القيود المهمة على تفاعلات المادة المظلمة مع النيوكليونات". ونتيجة لذلك، فإن العدد المتزايد من عمليات الاندماج التي يتم ملاحظتها يمكن أن يسمح للفيزيائيين بتقييم نماذج مختلفة للمادة المظلمة.

الاحتمال الآخر هو أن الأجسام منخفضة الكتلة التي لوحظت في GW 190814 وGW 190425 هي ثقوب سوداء بدائية تشكلت في أعقاب الانفجار الكبير مباشرة. ومع ذلك، تشير بعض النظريات إلى أن الثقوب السوداء البدائية يمكن أن تكون أحد مكونات المادة المظلمة، لذا فإن دراسة عمليات الاندماج يمكن أن توفر المزيد من المعلومات حول طبيعة المادة المظلمة.

في الواقع، الميزة الرئيسية لاستخدام موجات الجاذبية للبحث عن أدلة على المادة المظلمة هي أنها أكثر الوسائل حساسية لدينا للكشف عن التفاعلات الخافتة غير الجاذبية للمادة المظلمة مع المادة العادية.

وذلك لأن رصد موجات الجاذبية لا يخضع لـ “أرضية النيوترينو”، مما يحد من التجارب التي تهدف إلى الكشف المباشر عن المادة المظلمة. تشير الكلمة إلى حقيقة أن النيوترينوات تشكل مصدرًا مهمًا لضوضاء الخلفية في كاشفات المادة المظلمة مثل لوكس زيبلين.

يقول بهاتاشاريا: "إن الطريقة التي اقترحناها يمكنها استكشاف المناطق التي تكون بعيدة عن متناول أجهزة الكشف الأرضية هذه بسبب التعرض المحدود وحساسية الكاشف".

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء