Pulsarlar karanlık maddeyi parlatabilir

Karanlık maddeye yönelik devam eden avın temel sorusu şu: Neyden yapılmış? Olası bir cevap, karanlık maddenin eksen olarak bilinen parçacıklardan oluşmasıdır. Amsterdam ve Princeton üniversitelerinden araştırmacıların önderlik ettiği bir astrofizikçi ekibi, eğer karanlık madde eksenlerden oluşuyorsa, kendisini titreşen yıldızlardan gelen hafif bir ek parıltı şeklinde ortaya çıkarabileceğini gösterdi. Onların iş dergide yayınlandı Fiziksel İnceleme Mektupları.

Karanlık madde evrenimizin en çok aranan bileşeni olabilir. Şaşırtıcı bir şekilde, fizikçilerin ve gökbilimcilerin bugüne kadar tespit edemediği bu gizemli maddenin, var olanın çok büyük bir kısmını oluşturduğu varsayılmaktadır.

Evrendeki maddenin en az %85’inin “karanlık” olduğundan şüpheleniliyor ve şu anda yalnızca diğer astronomik nesnelere uyguladığı çekim kuvvetiyle fark edilebiliyor. Anlaşılacağı üzere bilim insanları daha fazlasını istiyor. Karanlık maddeyi gerçekten görmek istiyorlar ya da en azından onun varlığını doğrudan tespit etmek istiyorlar, sadece kütleçekim etkilerinden çıkarım yapmak değil. Ve elbette: ne olduğunu bilmek istiyorlar.

İki sorunu temizleme

Bir şey açık: Karanlık madde sizin ve benim yaptığımızla aynı türde madde olamaz. Eğer durum böyle olsaydı, karanlık madde sıradan madde gibi davranırdı; yıldızlar gibi nesneler oluşturur, aydınlanır ve artık “karanlık” olmazdı. Bilim insanları bu nedenle yeni bir şey arıyorlar; henüz kimsenin tespit edemediği ve muhtemelen bildiğimiz parçacık türleriyle çok zayıf etkileşime giren bir parçacık türü, dünyamızın bu bileşeninin şimdiye kadar neden ele geçirilmesi zor kaldığını açıklıyor.

Nereye bakılacağına dair pek çok ipucu var. Popüler varsayımlardan biri, karanlık maddenin eksenlerden oluşabileceğidir. Bu varsayımsal parçacık türü ilk olarak 1970’lerde karanlık maddeyle hiçbir ilgisi olmayan bir sorunu çözmek için tanıtıldı. Sıradan atomların yapı taşlarından biri olan nötronun içindeki pozitif ve negatif yüklerin ayrımının beklenmedik derecede küçük olduğu ortaya çıktı. Bilim insanları elbette bunun nedenini bilmek istediler.

Nötronun bileşenleriyle çok zayıf etkileşime giren, şimdiye kadar tespit edilmemiş türde bir parçacığın varlığının tam olarak böyle bir etkiye neden olabileceği ortaya çıktı. Daha sonra Nobel Ödülü kazanan Frank Wilczek, yeni parçacık için bir isim buldu: axion; yalnızca proton, nötron, elektron ve foton gibi diğer parçacık adlarına benzemekle kalmıyor, aynı zamanda aynı adlı bir çamaşır deterjanından da ilham alıyor. Axion bir sorunu çözmek için oradaydı.

Aslına bakılırsa, hiçbir zaman tespit edilmemesine rağmen iki tanesini temizleyebilir. Doğadaki tüm kuvvetleri birleştirmeye yönelik önde gelen aday teorilerden biri olan sicim teorisi de dahil olmak üzere, temel parçacıklara ilişkin çeşitli teorilerin, eksen benzeri parçacıkların var olabileceğini öngördüğü ortaya çıktı. Eğer eksenler gerçekten orada olsaydı, kayıp karanlık maddenin bir kısmını, hatta tamamını oluşturabilirler miydi? Belki, ama tüm karanlık madde araştırmalarının aklını kurcalayan ek bir soru eksenler için de geçerliydi: Eğer öyleyse, onları nasıl görebiliriz? “Karanlık” bir şey nasıl görünür hale getirilir?

Karanlık maddeye ışık tutuyor

Neyse ki eksenler için bu açmazdan bir çıkış yolu bulunabilir gibi görünüyor. Aksiyonları öngören teoriler doğruysa, bunların evrende seri olarak üretilmesinin yanı sıra, güçlü elektromanyetik alanların varlığında bazı eksenlerin ışığa dönüşmesi de bekleniyor. Işık olduğu zaman görebiliriz. Bu, eksenleri tespit etmenin ve dolayısıyla karanlık maddeyi tespit etmenin anahtarı olabilir mi?

Bu soruyu cevaplamak için bilim adamlarının öncelikle kendilerine evrende bilinen en güçlü elektrik ve manyetik alanların nerede oluştuğunu sormaları gerekiyordu. Cevap şu: Pulsar olarak da bilinen, dönen nötron yıldızlarını çevreleyen bölgelerde. “Titreşimli yıldızlar”ın kısaltması olan bu pulsarlar, kütleleri kabaca güneşimizinkiyle aynı olan, ancak yaklaşık 100.000 kat daha küçük, yalnızca 10 km’lik bir yarıçapa sahip yoğun nesnelerdir. Pulsarlar çok küçük olduklarından, muazzam frekanslarla dönerler ve dönme eksenleri boyunca parlak, dar radyo emisyonu ışınları yayarlar. Bir deniz fenerine benzer şekilde, pulsarın ışınları Dünya’yı tarayarak titreşen yıldızın kolayca gözlemlenebilir olmasını sağlar.

Ancak pulsarın devasa dönüşü daha fazlasını yapar. Nötron yıldızını son derece güçlü bir elektromıknatısa dönüştürür. Bu da pulsarların çok verimli eksen fabrikaları olduğu anlamına gelebilir. Ortalama bir pulsar her saniyede 50 haneli sayıda eksen üretebilir. Pulsarın etrafındaki güçlü elektromanyetik alan nedeniyle, bu eksenlerin bir kısmı gözlemlenebilir ışığa dönüşebilir. Yani: eğer eksenler mevcutsa ama mekanizma artık tam da bu soruyu yanıtlamak için kullanılabilir. Pulsarlara bakın, fazladan ışık yayıp yaymadıklarını görün ve eğer yayıyorlarsa, bu fazladan ışığın eksenlerden gelip gelmediğini belirleyin.

Hafif bir parıltıyı simüle etmek

Bilimde her zaman olduğu gibi böyle bir gözlemi gerçekleştirmek elbette o kadar basit değil. Aksiyonların yaydığı ışık (radyo dalgaları şeklinde tespit edilebilir), bu parlak kozmik deniz fenerlerinin bize gönderdiği toplam ışığın yalnızca küçük bir kısmı olacaktır. Farkı görebilmek için eksenleri olmayan bir pulsarın neye benzeyeceğini ve eksenleri olan bir pulsarın neye benzeyeceğini çok kesin bir şekilde bilmek gerekir; bu farkı ölçmek ve bunu bir miktar karanlık miktarının ölçümüne dönüştürmek bir yana, konu.

Fizikçilerden ve gökbilimcilerden oluşan bir ekibin şu anda yaptığı da tam olarak budur. Ekip, Hollanda, Portekiz ve ABD arasındaki işbirlikçi bir çabayla, eksenlerin nasıl üretildiğinin, eksenlerin nötron yıldızının çekim kuvvetinden nasıl kurtulduğunun ve kaçmaları sırasında nasıl kurtulduklarının ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasına olanak tanıyan kapsamlı bir teorik çerçeve oluşturdu. düşük enerjili radyo radyasyonuna dönüşürler.

Teorik sonuçlar daha sonra, pulsarların radyo dalgalarını nasıl yaydığının ardındaki fiziği anlamak için orijinal olarak geliştirilen son teknoloji ürünü sayısal plazma simülasyonları kullanılarak, pulsarların etrafındaki eksenlerin üretimini modellemek için bir bilgisayara yerleştirildi. Sanal olarak üretildikten sonra eksenlerin nötron yıldızının elektromanyetik alanları boyunca yayılması simüle edildi. Bu, araştırmacıların radyo dalgalarının daha sonraki üretimini niceliksel olarak anlamalarına ve bu sürecin pulsarın kendisinden üretilen içsel emisyonun üstüne nasıl ek bir radyo sinyali sağlayacağını modellemelerine olanak sağladı.

Axion modellerini test etme

Teori ve simülasyondan elde edilen sonuçlar daha sonra ilk gözlemsel teste tabi tutuldu. Yakındaki 27 pulsardan alınan gözlemleri kullanan araştırmacılar, ölçülen herhangi bir fazlalığın eksenlerin varlığına dair kanıt sağlayıp sağlayamayacağını görmek için gözlemlenen radyo dalgalarını modellerle karşılaştırdı. Ne yazık ki cevap “hayır”dı; ya da belki daha iyimser bir ifadeyle: “henüz değil.” Axionlar hemen üzerimize atlamıyorlar ama belki de bu beklenmeyecek bir şeydi. Eğer karanlık madde sırlarını bu kadar kolay açığa vursaydı, çok uzun zaman önce gözlemlenmiş olurdu.

Bu nedenle, eksenlerin net bir şekilde tespit edilmesi umudu artık gelecekteki gözlemlere dayanıyor. Bu arada, eksenlerden gelen radyo sinyallerinin şu anda gözlemlenmemesi başlı başına ilginç bir sonuçtur. Simülasyonlar ve gerçek pulsarlar arasındaki ilk karşılaştırma, eksenlerin ışıkla olabilecek etkileşimine bugüne kadarki en güçlü sınırları koydu.

Elbette nihai amaç, sınırları belirlemekten daha fazlasını yapmaktır; ya eksenlerin orada olduğunu göstermek ya da eksenlerin karanlık maddenin bir bileşeni olma ihtimalinin son derece düşük olduğundan emin olmaktır. Yeni sonuçlar bu yönde atılan ilk adımdır; bunlar, eksen arayışını önemli ölçüde ilerletme potansiyeline sahip, tamamen yeni ve son derece disiplinler arası bir alan haline gelebilecek şeyin yalnızca başlangıcıdır.