قيود جديدة على وجود المادة المظلمة خفيفة الوزن في درب التبانة

المادة المظلمة، المكونة من جسيمات لا تعكس الضوء ولا تنبعث منه ولا تمتصه، من المتوقع أن تشكل معظم الكون. ومع ذلك، فإن افتقاره إلى القدرة على الضوء يحول دون الكشف المباشر باستخدام الطرق التجريبية التقليدية.

لقد أمضى الفيزيائيون عقودًا من الزمن وهم يحاولون ابتكار طرق بديلة لكشف ودراسة المادة المظلمة، لكن العديد من الأسئلة حول طبيعتها ووجودها في مجرتنا لا تزال دون إجابة. سعت تجارب مصفوفة توقيت النجم النابض (PTA) إلى استكشاف ما يسمى بجسيمات المادة المظلمة فائقة الخفة من خلال فحص توقيت مجموعة من النجوم النابضة الراديوية المجرية بالمللي ثانية (أي الأجرام السماوية التي تنبعث منها نبضات موجة راديوية منتظمة يبلغ طولها بالمللي ثانية).

قامت مجموعة توقيت النجوم النابضة الأوروبية، وهي مجموعة متعددة الجنسيات من الباحثين من مختلف المؤسسات التي تراقب نجومًا نابضة محددة باستخدام 6 تلسكوبات راديوية في جميع أنحاء أوروبا، بتحليل الموجة الثانية من البيانات التي جمعوها مؤخرًا. ورقهمنشرت في رسائل المراجعة البدنيةيضع قيودًا صارمة للغاية على وجود المادة المظلمة خفيفة الوزن في درب التبانة.

قال كليمنتي سمارا، المؤلف المشارك للورقة البحثية، لـ Phys.org: “هذه الورقة هي في الأساس نتيجة أول مشروع دكتوراه لي”. “عندما سألت مشرفي عما إذا كان بإمكاننا إجراء بحث مع التركيز على علم موجات الجاذبية، ولكن من منظور فيزياء الجسيمات،​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​ ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​ ​​​​​​​​​​​​​​​الهدف الرئيسي للمشروع هو التحكم في وجود المادة المظلمة خفيفة الوزن في مجرتنا.

المادة المظلمة الخفيفة هي مادة مظلمة افتراضية تتكون من جسيمات خفيفة للغاية يمكنها حل ألغاز طويلة الأمد في الفيزياء الفلكية. باستخدام البيانات التي تم جمعها بواسطة مصفوفة توقيت النجم النابض الأوروبي، هدفت دراسة حديثة أجراها سمارة وزملاؤه إلى التحقيق في احتمال وجود هذا النوع من المادة المظلمة في مجرتنا.

“لقد استلهمنا الجهود السابقة في هذا المجال، لا سيما عمل بورايكو ومعاونيهوقال سمارة: “بفضل المدة الأطول والدقة المحسنة لمجموعة البيانات لدينا، تمكنا من وضع قيود أكثر صرامة على وجود المادة المظلمة خفيفة الوزن في درب التبانة”.

قدمت ورقة بحثية حديثة من مصفوفة توقيت النجم النابض الأوروبي افتراضات مختلفة عن تلك التي قدمتها دراسات أخرى في الماضي. فبدلاً من دراسة التفاعل بين المادة المظلمة والمادة العادية، يفترض أن هذه التفاعلات تحدث فقط من خلال تأثيرات الجاذبية.

وأوضح سمارة: “لقد افترضنا أن المادة المظلمة تتفاعل مع المادة الطبيعية فقط من خلال تفاعل الجاذبية”. “هذا ادعاء قوي: في الواقع، الشيء الوحيد الذي نعرفه عن المادة المظلمة هو كيفية تفاعلها مع الجاذبية. باختصار، تخلق المادة المظلمة آبارًا محتملة تنتقل عبرها أشعة الراديو النابضة. لكن عمق هذه الآبار يختلف باختلاف الوقت، وبالتالي فإن زمن انتقال الحزم الراديوية من النجوم النابضة إلى الأرض هو فترة زمنية منفصلة. ويتغير مع الفاصل الزمني.

ومن خلال البحث عن هذا التأثير تحديدًا ضمن الموجة الثانية من البيانات الصادرة عن مصفوفة توقيت النجم النابض الأوروبي، تمكن سمارة وزملاؤه من وضع قيود جديدة على وجود مادة مظلمة خفيفة للغاية حول النجوم النابضة. تقوم مصفوفة توقيت النجم النابض الأوروبي بجمع هذه البيانات منذ ما يقرب من 25 عامًا باستخدام 6 تلسكوبات راديوية حديثة موجودة في مواقع مختلفة حول أوروبا.

وقال سمارا: “بناءً على تحليلاتنا، يمكننا أن نستبعد أن الجسيمات فائقة الخفة الموجودة في نطاق معين من الكتل يمكن أن تكون مادة مظلمة واسعة النطاق”. “لذا، إذا كانوا هناك، فستكون هناك حاجة إلى شيء آخر لشرح ما نراه. وهذا الاستنتاج قوي لأننا ركزنا على تفاعلات الجاذبية للمادة المظلمة، والتي نعرفها بالتأكيد.”

أظهر العمل الأخير من مصفوفة توقيت النجم النابض الأوروبي أن الجسيمات الخفيفة ذات الكتل 10−24.0 eV≲m≲10−23.3 eV لا تمثل 100% من كثافة المادة المظلمة المحلية المقاسة ويمكن أن يكون لها كثافات محلية بحد أقصى ρ≲00 . جيف / سم³. قد تؤدي هذه القيود الجديدة إلى توجيه المزيد من الأبحاث في هذا المجال، مما يفيد عمليات البحث المستقبلية عن مرشح المادة المظلمة بعيد المنال.

وأضاف سمارا: “أخطط حاليًا للتحقيق فيما إذا كانت هناك بصمات في النجوم النابضة قد تخبرنا بالمزيد عن المادة المظلمة”. “أيضًا، أنا مهتم بعلم PTA بشكل عام؛ لذا أود العمل على نموذج فيزيائي فلكي للأنظمة الثنائية للثقوب السوداء فائقة الكتلة التي يُعتقد أنها تفسير مقنع لخلفية موجة الجاذبية العشوائية التي لاحظتها مؤخرًا.”