כוכב גוסס יכול לפתוח את התעלומה הגדולה ביותר של היקום

NIRCam (מצלמה קרובה לאינפרא אדום) של Webb צילמה את התמונה המפורטת הזו של SN 1987A (Supernova 1987A).
קרדיט: נאס"א, ESA, CSA, Mikako Matsuura (אוניברסיטת קרדיף), ריצ'רד ארנדט (NASA-GSFC, UMBC), Claes Fransson (אוניברסיטת שטוקהולם), Josefin Larsson (KTH), אליסה פגן (STScI)

חוקרים מאמינים שסופרנובה בגלקסיה שלנו יכולה לחשוף את סודות החומר האפל על ידי פליטת קרני גמא הניתנות לזיהוי מאקסיונים. גילוי זה יספק תובנות מפתח לגבי תכונות החלקיק החמקמק ותפקידו ביקום.

במשך כמעט מאה שנה, מדענים שואפים לפענח את המסתורין של, חומר שמעצב את היקום שלנו אבל נשאר בלתי נראה. חומר אפל, שהוצע בשנות ה-60 כדי להסביר מדוע גלקסיות מסתובבות כפי שהן מסתובבות, אינו פולט ואינו מקיים אינטראקציה עם אור וצורות אחרות של קרינה אלקטרומגנטית. חושבים שהוא מקיים אינטראקציה רק ​​באמצעות כוח הכבידה ומהווה 85% מהמסה הכוללת של היקום. מרכזי במקובללמבדה חומר אפל קרמודל (LCDM) של קוסמולוגיה, החומר האפל ממלא תפקיד מכריע בהבנתנו את הקוסמוס. עם זאת, הטבע האמיתי שלו נותר חמקמק.

האקסיוןהַשׁעָרָה

אחד הלידים המבטיחים ביותר בחיפוש זה הוא- חלקיק היפותטי בעל מסה נמוכה שהוצע לראשונה בשנות ה-70 כדי לטפל בבעיות לא פתורות בפיזיקה הקוונטית. ההתקדמות האחרונה מציעה שאקסיונים יכולים לחשוף את עצמם בתנאים ספציפיים, כגון בנוכחות שדות מגנטיים חזקים שנמצאים סביב.

מחקר פורץ דרך של אסטרופיזיקאים ב-, נתמך על ידי ה, מצביע על כך שאקסיונים עשויים להתגלות ברגעים שלאחר סמוך. לטענת החוקרים, קרני גמא שנוצרו על ידי אקסיוניות במהלך אירוע כזה עשויות לספק את הראיה הישירה הראשונה לחלקיקים אלה, ולפתור פוטנציאל את אחת מהחידות הגדולות ביותר של המדע.

סופרנובות כמעבדות קוסמיות

המחקר נערך על ידי חוקרים ב-מרכז ברקלי לפיזיקה תיאורטית(BCTP) וחבר במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (LBNL)קבוצת פיזיקה תיאורטית. המאמר המתאר את ממצאיהם פורסם לאחרונה בכתב העתמכתבי סקירה פיזית. כפי שהם טוענים, אקסונים יופקו בכמויות גדולות במהלך 10 השניות הראשונות לאחר שכוכב מסיבי יעבור קריסת ליבה והופך ל-כוכב נויטרונים. אזיונים אלה יברחו ויהפכו לקרני גמא בעלות אנרגיה גבוהה בשדה המגנטי האינטנסיבי של הכוכב.

החיפוש אחר גילוי

במשך עשרות שנים, החיפוש אחר החומר האפל התמקדחפצי Halo קומפקטיים מאסיביים(MACHOs). כאשר הם לא הצליחו להתממש, הפיזיקאים החלו לשקול(WIMPs) כמועמד הסביר ביותר, אך גם לא הצליח למצוא משהו מוחשי. זה הוביל לכך שאקסיונים הפכו למועמד המקובל ביותר, חלקיק יסודי שמתאים למודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים ופותר מספר שאלות לא פתורות במכניקת הקוונטים - כוללתיאוריה של הכל(אֶצבַּע).

המועמד החזק ביותר לאקסיון הוא אקסיון הכרומודינמיקה הקוונטית (QCD), אשר באופן תיאורטי מקיים אינטראקציה עם כל החומר, אם כי חלש. כְּמוֹהראה, צירים יהפכו מדי פעם לפוטונים בנוכחות שדה מגנטי חזק שניתן לזהות. עם זאת, גילויים כאלה יהיו מאתגרים מאוד מכיוון שהם ידרשו שהסופרנובה תהיה בקרבת מקום (בתוךשְׁבִיל הַחָלָבאו אחת מגלקסיות הלוויין שלו). בנוסף, סופרנובות שניתנות לצפייה הן נדירות, המתרחשות אחת לכמה עשורים.

הנדירות והפוטנציאל של תצפיות סופרנובה

הפעם האחרונה שאסטרונומים צפו בתופעה זו הייתה בשנת 1987 כאשר סופרנובה מסוג II () הופיע לפתע בענן מגלן גדול(LMC), בערך 168,000 שנות אור מכדור הארץ. בזמנו,נאס"אשלמשימה סולארית מקסימום(SMM) צפה ב-LMC אך לא היה רגיש מספיק כדי לזהות את העוצמה החזויה של קרני גמא. בנג'מין ספדי, פרופסור חבר לפיזיקה מאוניברסיטת ברקלי ומחבר בכיר של מאמר, הסביר בהצהרה שפרסמה לאחרונה את חדשות UC ברקלי:

"אם היינו רואים סופרנובה, כמו סופרנובה 1987A, עם טלסקופ קרני גמא מודרני, היינו יכולים לזהות או לשלול את האקסיון QCD הזה, האקסיון המעניין ביותר הזה, על פני חלק גדול ממרחב הפרמטרים שלו - בעצם הפרמטר כולו חלל שלא ניתן לבדיקה במעבדה, וחלק גדול ממרחב הפרמטר שניתן לבדיקה במעבדה גם כן. וכל זה יקרה תוך 10 שניות".

טלסקופ החלל של קרני גמא פרמי צופה בקוסמוס באמצעות צורת האור בעלת האנרגיה הגבוהה ביותר, ומספק צוהר חשוב לתופעות הקיצוניות ביותר של היקום, מהתפרצויות קרני גמא וסילוני חורים שחורים ועד פולסרים, שרידי סופרנובה ו מקור הקרניים הקוסמיות. קרדיט: © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

הדמיות מחשבי-על וטכנולוגיות עתידיות

באמצעות סדרה של סימולציות של מחשבי-על שהשתמשו ב-SN1987A כדי להגביל צירי מסה גבוהה יותר, ספדי ועמיתיו קבעו שסופרנובות מסוג II מייצרות בו-זמנית התפרצויות של קרני גמא וניטרינו. עוד הם ציינו שקרני הגמא שייווצרו יהיו תלויות במסה של האקסונים ויימשכו רק 10 שניות לאחר היווצרות כוכב הנייטרונים. לאחר מכן, קצב הייצור יירד באופן דרמטי. המשמעות היא שטלסקופ חלל קרני גמא חייב להיות מכוון לעבר הסופרנובה בדיוק בזמן הנכון.

ההוא כיום מצפה הכוכבים היחיד המסוגל לזהות מקורות קרני גמא קוסמיים. בהתבסס על שדה הראייה שלו, מדענים מעריכים שלפרמי יהיה סיכוי של בערך אחד לעשרה לזהות סופרנובה. לשם כך, הצוות מציע שניצור טלסקופ קרני גמא מהדור הבא הידוע בשם GALactic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS). אמר ספדי:

"זה באמת הוביל אותנו לחשוב על כוכבי נויטרונים כעל מטרות אופטימליות לחיפוש אקסונים כמעבדות אקסיון. לכוכבי ניוטרונים יש הרבה דברים. הם חפצים חמים במיוחד. הם גם מארחים שדות מגנטיים חזקים מאוד. השדות המגנטיים החזקים ביותר ביקום שלנו נמצאים סביב כוכבי נויטרונים, כמו מגנטרים, שיש להם שדות מגנטיים חזקים פי עשרות מיליארדים מכל מה שאנחנו יכולים לבנות במעבדה. זה עוזר להמיר את האקסיות האלה לאותות הניתנים לצפייה."

השלכות של גילוי פוטנציאלי

כפי שהם מציינים, זיהוי יחיד של קרני גמא יצביע על המסה של אקסיון על פני מגוון עצום של מסות תיאורטיות ויאפשר ניסויי מעבדה למקד מחדש את מאמציהם באישור המסה הזו. אפילו חוסר זיהוי יגרום לכך שמדענים יוכלו לחסל מגוון גדול של מסות פוטנציאליות עבור האקסיון, מה שיצמצם את החיפוש אחר החומר האפל במידה ניכרת. בינתיים, ספדי ועמיתיו מקווים שטלסקופ פרמי יזכה להפסקת מזל.

"התרחיש הטוב ביותר עבור אקסונים הוא פרמי תופס סופרנובה", הוסיף. "רק שהסיכוי לכך קטן. אבל אם פרמי היה רואה אותו, נוכל למדוד את המסה שלו. נוכל למדוד את חוזק האינטראקציה שלו. נוכל לקבוע את כל מה שאנחנו צריכים לדעת על האקסיון ובטוחים להפליא באות כי אין עניין רגיל שיכול ליצור אירוע כזה".

עיבוד ממאמר שפורסם במקור בתאריךהיקום היום.

חקור עוד:

התייחסות: "צירי סופרנובה הופכים לקרני גמא בשדות מגנטיים של כוכבי אבות" מאת קלאודיו אנדריאה מנזרי, יוג'ין פארק, בנג'מין ר. ספדי וענבר סבורי, 19 בנובמבר 2024,מכתבי סקירה פיזית.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.211002