لذا ، تريد أن تجد المادة المظلمة ، لكنك لا تعرف أين تبحث؟ قد يكون الكوكب العملاق هو بالضبط نوع كاشف الجسيمات الذي تحتاجه! لحسن الحظ ، فإن نظامنا الشمسي كان يتوفر به اثنان منها ، وأكبرها وأقربها هو كوكب المشتري. صدر الباحثان ريبيكا لين (ستانفورد) وتيم ليندن (ستوكهولم) ورقة يصف هذا الأسبوع كيف أن عملاق الغاز قد يحمل مفتاح العثور على المادة المظلمة المراوغة.
تعد طبيعة المادة المظلمة واحدة من أكبر الألغاز المستمرة في الفيزياء في الوقت الحالي. إنه يتفاعل جاذبيًا - يمكننا رؤيته يربط المجرات التي كانت ستطير بعيدًا عن بعضها البعض - ولكن لا يبدو أنها تتفاعل مع المادة الطبيعية بطرق أخرى.
تفترض أكثر النظريات شيوعًا أن المادة المظلمة هي نوع من الجسيمات التي تكون إما صغيرة جدًا أو ضعيفة التفاعل بحيث لا يمكن ملاحظتها بسهولة. تم إعداد تجارب معجلات الجسيمات والمصادم لتحطيم الجسيمات دون الذرية معًا: يأمل الباحثون في رؤية كميات غير متوقعة من الطاقة المفقودة من الاصطدام الناتج ، مما قد يشير إلى هروب بعض الجسيمات غير المعروفة ، وربما المادة المظلمة ، من الكاشف. حتى الآن ، لا حظ.
لكن المادة المظلمة يجب أن تكون موجودة في الطبيعة أيضًا ، ويمكن التقاطها بالجاذبية بواسطة أجسام ذات آبار جاذبية كبيرة ، مثل الأرض والشمس والمشتري. بمرور الوقت ، يمكن أن تتراكم المادة المظلمة داخل كوكب أو نجم حتى تكون هناك كثافة كافية بحيث يصطدم أحد جسيمات المادة المظلمة بآخر ، مما يؤدي إلى القضاء على كليهما. حتى لو لم نتمكن من رؤية المادة المظلمة نفسها ، يجب أن نكون قادرين على رؤية نتائج مثل هذا الاصطدام. سينتج إشعاع عالي الطاقة على شكل أشعة جاما.
تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة جاما. الائتمان: ناسا (ويكيميديا كومنز).
أدخل تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة جاما التابع لوكالة ناسا ، والذي تم إطلاقه في عام 2008 على صاروخ دلتا 2. لقد كان يفحص السماء بحثًا عن مصادر أشعة جاما لأكثر من عقد حتى الآن. استخدم الباحثان Leane و Linden التلسكوب للنظر إلى كوكب المشتري ، وأنتجوا أول تحليل على الإطلاق لنشاط أشعة جاما للكوكب العملاق. كانوا يأملون في رؤية أدلة على وجود أشعة جاما الزائدة الناتجة عن إبادة المادة المظلمة داخل كوكب المشتري.
كما يشرح لين ، فإن حجم كوكب المشتري ودرجة حرارته يجعلانه كاشفًا مثاليًا للمادة المظلمة. 'نظرًا لأن كوكب المشتري يمتلك مساحة سطح كبيرة مقارنة بكواكب النظام الشمسي الأخرى ، فإنه يمكنه الالتقاطأكثرالمادة المظلمة ... قد تتساءل بعد ذلك لماذا لا تستخدم الشمس الأكبر (والقريبة جدًا). حسنًا ، الميزة الثانية هي أنه نظرًا لأن للمشتري نواة أكثر برودة من الشمس ، فإنه يعطي جزيئات المادة المظلمة دفعة حرارية أقل. يمكن لهذا جزئيًا أن يمنع المادة المظلمة الفاتحة من التبخر من كوكب المشتري ، والتي كانت ستتبخر من الشمس '.
دراسة لين وليندن الأولية لكوكب المشتري لم تجد المادة المظلمة بعد. ومع ذلك ، كان هناك فائض محير من أشعة جاما عند مستويات طاقة منخفضة ، وهو ما سيتطلب أدوات أفضل للدراسة بشكل صحيح. قال لين: 'نحن بالفعل نوسع حدود فيرمي لتحليل جاما منخفضة الطاقة'. 'بالنظر إلى المستقبل ، سيكون من المثير للاهتمام معرفة ما إذا كانت تلسكوبات أشعة جاما MeV القادمة مثل AMEGO و e-ASTROGAM ستعثر على أي أشعة جاما جوفيان ، خاصة في الطرف السفلي من تحليلنا ، حيث يعاني أداء فيرمي. ربما لا يزال لدى المشتري بعض الأسرار لمشاركتها ... '
يظهر أعلى اليسار عدد أشعة غاما في منطقة 45 درجة حول المشتري.
يُظهر الجزء العلوي الأيمن نفس الجزء من السماء عندما لا يكون المشتري موجودًا (الخلفية).
يُظهر أسفل اليسار عدد بقايا أشعة غاما عند طرح الخلفية.
يُظهر الجزء السفلي الأيمن حجم وموضع كوكب المشتري من تلسكوب فيرمي. إذا كان هناك فائض في أشعة جاما ، فيجب أن تكون الخريطة الموجودة أسفل اليسار مضاءة في موقع المشتري. عند مستويات الطاقة هذه ، لم يحدث ذلك ، على الرغم من أنه كان موجودًا عند مستويات طاقة منخفضة ، مما أدى إلى الحاجة إلى مزيد من المراقبة باستخدام التلسكوبات الجديدة. الائتمان: ريبيكا لين وتيم ليندن.
كل من تلسكوبات AMEGO و e-ASTROGRAM لا تزال في مرحلة المفهوم ، لكنها قد تكون مجرد الأدوات اللازمة للعثور على المادة المظلمة ، وقد يكون المشتري هو الهدف الذي يمكن العثور عليه فيه.
يعتقد لين وزميله الآخر ، جوري سميرنوف (ولاية أوهايو) ، أنه يمكن أيضًا استخدام تقنية مماثلة للبحث عن المادة المظلمة في الكواكب الخارجية الشبيهة بالمشتري أو النجوم القزمة البنية الباردة.
يجب أن تظهر الكواكب الخارجية والأقزام البنية الأقرب إلى مركز المجرة ، حيث توجد كثافة أعلى من المادة المظلمة ، أكثر سخونة في الأشعة تحت الحمراء من الكواكب والنجوم البعيدة ، نظرًا لتكرار تدمير المادة المظلمة في نواتها. قد يكون تلسكوب جيمس ويب الفضائي قادرًا على توفير مسح بالأشعة تحت الحمراء لعدد كافٍ من الكواكب لتأكيد هذه النظرية.
سواء وجدنا دليلًا على وجود مادة مظلمة في كوكب خارج المجموعة الشمسية ، أو في عملاقنا الغازي بالقرب من المنزل ، فإن مثل هذا الاكتشاف يمثل قفزة كبيرة إلى الأمام في نموذجنا للكون. لا يوجد ضمان لأي منهما ، ولكنه بالتأكيد يستحق إلقاء نظرة عليه ، ويتم وضع الأساس للبحث في الوقت الحالي.
يمكن العثور على الأوراق البحثية هنا:
- ريبيكا لين وتيم ليندن ، ' أول تحليل لكوكب المشتري في أشعة جاما وبحث جديد عن المادة المظلمة . ' ArXiv preprint.
- ريبيكا لين وجوري سميرنوف ، ' الكواكب الخارجية كأجهزة كشف جديدة عن المواد المظلمة Sub-GeV. 'ArXiv preprint.
حقوق الصورة المميزة: NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Kevin M. Gill (ويكيميديا كومنز ).
