آیا "درگاه‌های گرانشی" می‌توانند ذرات ماده تاریک را به ماده معمولی تغییر دهند؟

اخترفیزیکدانان نظریه‌ای تازه دارند که می‌تواند به حل دو راز کمک کند: راز فراوانیِ شگفت‌انگیزِ پرتوهای بسیار پرانرژی که از مرکز کهکشان راه شیری شلیک می‌شوند، و شناسایی سرشت ماده‌ای نادیدنی به نام ماده‌ی تاریک که از زمان یافته شدنش در حدود ۵۰ سال پیش تاکنون جهان را شگفت‌زده کرده.

و این نظریه یک نام بسیار جالب هم دارد: درگاه‌های گرانشی. بر پایه‌ی این پنداشت، هنگامی که دو ذره‌ی ماده‌ی تاریک (هر چه که هستند) به درون یکی از این درگاه‌ها مکیده می‌شوند، یکدیگر را نابود کرده و پرتوهای گامایی با انرژی تکان‌دهنده بیرون می‌گسیلند.

این خط فکری شاید بتواند توضیح دهد که چرا مرکز کهکشان (جایی که گمان می‌رود خوشه‌های چگالی از ماده‌ی تاریک در آن پنهان شده) پر از پرتوهای گاما است؛ و نیز می‌تواند شیوه‌ی رفتار ماده‌ی‌ تاریک و این که شاید گاهی بتواند با ماده‌ی معمولی کیهان برهمکنش انجام دهد را روشن کند.

ماده‌ی تاریک چه باید باشد؟
بیش از ۸۰ درصد ماده‌ی درون کیهان ما از یک گونه‌ی ناشناخته برای مدل استاندارد فیزیک ذرات است. دانشمندان آن را "ماده‌ی تاریک" می‌نامند زیرا با نور برهمکنشی ندارد. نخستین نشانه از وجود ماده‌ی تاریک در دهه‌ی ۱۹۷۰ دیده شد، زمانی که اخترشناس ورا روبین پِی برد که کهکشان‌ها بسیار سریع می‌چرخند- آنها بدون یک چشمه‌ی گرانشی اضافه و پنهان می‌بایست مدت‌ها پیش از هم می‌پاشیدند.

اخترشناسان چندین دهه است که نمی‌دانند آیا باید شناختشان از گرانش را تغییر دهند، آیا باید ماده‌ی معمولی ولی بی‌اندازه کم‌نوری به کیهان بیفزایند، یا آیا باید یک  جزء به کلی تازه را معرفی کنند. سال‌ها آمدند و رفتند و گزینه‌ها با مشاهداتی از پسِ مشاهداتی دیگر محدودتر شدند. هیچ نظریه‌ی گرانش اصلاح شده‌ای نمی‌تواند همه‌ی مشاهدات را توضیح دهد. و فیزیکدانان محدودیت‌های سختی روی میزان ماده‌ی معمولی کیهان (درخشان، کم‌نور، یا هر چیزی در این میان) گذاشته‌اند.

این باعث شده تنها توضیح برای سریع بودن کهکشان‌ها ماده‌ی تاریک باشد. این ماده می‌تواند گونه‌ی تازه‌ای ذره باشد، با سرشت (یا سرشت‌هایی) ناشناخته. این ذره هیچ برهمکنشی با نور انجام نمی‌دهد، وگرنه باید تاکنون آن را می‌دیدیم. با نیروی هسته‌ای قوی، نیرویی که ذره‌های ماده را کنار هم نگه می‌دارد، برهمکنشی ندارد، وگرنه دانشمندان می‌بایست تاثیر آن را در آزمایش‌های اتمی شناسایی می‌کردند. شاید با نیروی هسته‌ای ضعیف کاری انجام دهد، ولی این نیرو به اندازه‌ای کم‌زور و کوتاه-بُرد است که دیدنِ هر گونه انحرافی در نتایجِ چشمداشتی چالش‌برانگیز است.

شاید همین اکنون تریلیون‌ها ذره‌ی ماده‌ی تاریک دارند خاموش و بی‌صدا از درون شما می‌گذرند.

ولی ماده‌ی تاریک دست خود را با گرانش رو می‌کند، زیرا تک تکِ گونه‌های جرم و انرژی در کیهان نوعی اثر گرانشی اعمال می‌کنند. بنابراین تنها روش مطمئن برای بررسی ماده‌ی تاریک از راه برهمکنش‌های گرانشی آن با ماده‌ی معمولی است، مانند حرکت‌های ستارگان درون کهکشان‌ها.

ولی شاید راه دیگری وجود داشته باشد.

موردِ الکترون‌های اضافی
در پژوهشی که گزارش آن روز ۲۸ فوریه در نشریه‌ی اینترنتی arXiv منتشر شده، فیزیکدانان نظریه‌ی تازه‌ای برای توضیح چیستیِ ماده‌ی تاریک و چگونگیِ رفتار آن پیشنهاد کرده‌اند. ولی پیش از این که به سراغ پنداشت آنها برویم، باید یک سرنخ دیگر برای این روش شکار ماده‌ی تاریک معرفی کنیم. این سرنخ به شکلِ انبوهِ شگفت‌انگیزِ گسیلش‌های پرتو گاما است که در مرکز کهکشان راه شیری دیده می‌شود.

پرتوهای گاما پرانرژی‌ترین گونه‌ی ممکن از تابش هستند، و به طور معمول تنها در برخی از پرانرژی‌ترین رویدادهای سهمگین کیهان پدید می‌آیند، رویدادهایی مانند ابرنواخترها. ولی با توجه به این که چنین رویدادهایی بسیار کم در مرکز کهکشان رخ می‌دهند، پرسش پیش می‌آید که این همه پرتوی گاما در آنجا برای چیست. بر پایه‌ی این نظریه‌ی تازه، این پرتوهای گاما می‌توانند فرآورده‌ی جانبیِ الکترون‌های پرانرژی باشند.

این الکترون‌های پرانرژی که گونه‌ای از ذرات به نام "لپتون‌ها" هستند و به طور مستقیم بسیار ساده‌تر از پرتوهای گاما پدید می‌آیند، از چشمه‌ای ریشه می‌گیرند و در مرکز کهکشان به این سو و آن سو می‌روند. خود این الکترون‌ها را نمی‌توان ردیابی کرد (آنها بسیار بسیار ریزند)، ولی هنگامی که به فضای میان‌ستاره‌ای سرازیر می‌شوند، هر از گاهی می‌توانند به طور شانسی سر راهشان به یک فوتون (ذره‌ی نور) برخورد کنند.

این فوتون، که به احتمال بسیار بی‌خطر و کم‌انرژی است، با الکترونِ مهاجم برخورد می‌کند؛ برخورد به فوتون انرژی می‌دهد و انرژی آن را تا جایی بالا می‌برد که آغاز به گسیلش پرتو گامایی می‌کنند که می‌توانیم ببینیم.

این برخوردها احتمالا می‌توانند فزونیِ پرتوهای گاما را توضیح دهند، ولی خود این الکترون‌های پرانرژی از کجا می‌آیند؟

پریدن به درون درگاه
بیایید یک بازبینی گذرا روی دانسته‌هایمان انجام دهیم. یک، ماده‌ی تاریک تنها از راه گرانش برهمکنش انجام می‌دهد. دو، لپتون‌های پرانرژی که در مرکز کهکشان شناورند می‌توانند دلیلِ فزونیِ پرتوهای گامایی که آنجا می‌بینیم را توضیح دهند. سه، از آنجایی که در کهکشانمان، هسته بیشترین چگالیِ ماده را دارد، فکر می‌کنیم انباشت‌های بزرگی از ماده‌ی تاریک هم باید آنجا باشد.

این همرویدادی است یا همدستی؟

پیوند میان این دو رویداد یک نام عالی که برازنده‌اش است دارد: "درگاه‌های گرانشی لپتون‌دوست"، چنان چه سون زو-دونگ و دای بین-ژونگ از آزمایشگاه کلیدی اخترفیزیک ذره‌ای چین در پژوهشنامه‌شان در arXiv نوشته‌اند.

بیایید از بخش "درگاه گرانشی" آغاز کنیم. تا جایی که از گرانش می‌دانیم، تنها چیزها را می‌کِشد. زمین ماه را به سوی خود می‌کشد؛ خورشید زمین را می‌کشد؛ ستارگان در کهکشان یکدیگر را می‌کشند، و و و. گرانش کارش در کشیدن را واقعا بسیار خوب انجام می‌دهد.

پس تا جایی که می‌دانیم، تنها کاری که گرانش می‌تواند با ماده‌ی تاریک بکند کشش است و بس.

ولی شناخت ما از گرانش ناقص است. فیزیک می‌تواند رفتار گرانش در مقیاس بزرگ را توضیح دهد، ولی چیزی به نام نظریه‌ی کوانتومی گرانش که بتواند رفتار گرانش قوی در مقیاس‌های بسیار ریز را توصیف کند وجود ندارد. و در این ماجرا، شاید گرانش غافلگیری‌هایی برایمان در آستین داشته باشد

دیگر نیروهای طبیعت همواره توانایی نابودی، ترادیسی، و آفرینش ذرات را دارند. برای نمونه، نیروی هسته‌ای ضعیف می‌تواند یک پروتون را به نوترون تبدیل کند و واپاشی پرتوزا (رادیواکتیو) به راه بیندازد. یک ذره و پادذره‌اش می‌توانند از راه نیروی الکترومغناطیسی به هم پیوسته و یکدیگر را با درخشی از پرتوها نابود کنند.

شاید گرانش در موارد افراطی بتواند دو ذره‌ی ماده‌ی تاریک را کنار هم آورده و نابودشان کند، و آنها را واقعا به هـــــــــر چیزی تبدیل کند.

و بر پایه‌ی مدل نظری‌ای که پژوهشگران ارایه کرده‌اند، شاید آن ذراتِ ماده‌ی تاریک بتوانند به لپتون‌ها دگردیسی یابند. از همین رو بخش دیگر این نام، "لپتون‌دوست" (leptophilic) است.

بر پایه‌ی این نظریه، ذرات ماده‌ی تاریک گاهی می‌توانند یکدیگر را تنها از راه برهمکنش‌های گرانشیِ شانسی نابود کنند. این برهمکنش‌های شانسی در زبان فیزیک به نام "درگاه‌های گرانشی" شناخته می‌شوند، چون که روشی برای ذرات فراهم می‌کنند که در آن، تنها از راه گرانش با هم برهمکنش انجام دهند. دستاورد این برخورد یک الکترون پرانرژی است. این برهمکنش‌ها احتمالا در مرکز کهکشان بسیار رایج‌تر هستند، جایی که چگالی ماده‌ی تاریک هم به احتمال بسیار بیشترین است. این الکترون‌ها احتمالا به این سو و آن سو که می‌روند، سرانجام به فوتونی کم‌انرژی برخورد کرده و آن را به فوتون پرانرژی پرتو گاما تبدیل می‌کنند، و همین هم باعث فزونی بیش از اندازه‌ایست که در پرتوهای گامای مرکز کهکشان می‌بینیم.

آری، این پنداشت کمی دور از ذهن است. ولی سخن از سرشت ماده‌ی تاریک که می‌شود، فیزیکدانان وارد تاریکی می‌شوند، بنابراین نظریه‌های تازه همیشه با پیشواز روبرو می‌شوند. و این نظریه به گونه‌ای ویژه برای سازگاری با مشاهدات پرتو گاما طراحی شده. ولی همین که راه برای دگردیسی ذرات ماده‌ی تاریک به ماده‌ی معمولی (اینجا، لپتون‌ها) باز شده، کارهای نظری بیشتری می‌توانند انجام شوند تا ببینیم راه‌های دیگری برای آزمودن این نظریه وجود دارد یا نه.

-------------------------------------------

تلگرام، توییتر، و اینستاگرام یک ستاره در هفت آسمان:
telegram.me/onestar_in_sevenskies
twitter.com/1star_7sky
instagram.com/1star.7sky

واژه‌نامه:
galaxy - dark matter - gravity portal - gamma rays - standard model of particle physics - Vera Rubin - strong nuclear force - weak nuclear force - star - electron - arXiv - Milky Way galaxy - supernova - galactic center - lepton - photon - leptophilic gravity portal - Sun Xu-Dong - Dai Ben-Zhong - China Key Laboratory of Astroparticle Physics - Earth - moon - sun - quantum theory - proton - neutron - radioactive decay - antiparticle - electromagnetic force

منبع: لایوساینس

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان