Yeni araştırmalar, karanlık maddenin eksen adı verilen teorik parçacıklardan oluşma olasılığını araştırıyor ve bunları pulsarlardan gelen ek ışık yoluyla tespit etmeye odaklanıyor. İlk gözlemler eksenleri henüz doğrulamadı, ancak araştırma karanlık maddeyi anlamak için çok önemli.
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 astrofizikçiler tarafından yapılan son araştırmalar, eğer karanlık madde gerçekten eksenlerden oluşuyorsa, kendisini titreşen yıldızlardan gelen hafif bir ek parıltı şeklinde ortaya çıkarabileceğini öne sürüyor.
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. Gerçekten istiyorlar Görmek Karanlık madde – ya da en azından onun varlığını doğrudan tespit edin, sadece kütleçekim etkilerinden çıkarım yapmayın. Ve elbette: bilmek istiyorlar Ne bu.
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. Bu nedenle bilim insanları 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 eksenler. 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 sahibi Frank Wilczek yeni parçacık için bir isim buldu: eksen – sadece proton, nötron, elektron gibi diğer parçacık adlarına benzemez ve fotonama aynı adı taşıyan bir çamaşır deterjanından da ilham aldı. 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: dönen nötron yıldızlarını çevreleyen bölgelerde pulsarlar. ‘Titreşimli yıldızlar’ın kısaltması olan bu pulsarlar, kütleleri kabaca Güneş’imizinkiyle 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. Deniz fenerine benzer, pulsar‘nin ışınları Dünya’yı tarayarak titreşen yıldızı kolayca gözlemlenebilir hale getirebilir.
Ancak pulsarın devasa dönüşü daha fazlasını yapar. Şunu çevirir: nötron yıldızı son derece güçlü bir elektromıknatısa dönüşür. 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 – ancak 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. Bir pulsarın ne olduğunu tam olarak bilmek gerekiyor olmadan eksenler neye benzeyecek ve nasıl bir pulsar ile eksenler, farkı görebilmek ve bu farkı ölçmek ve bunu bir miktar karanlık madde ölçümüne dönüştürmek şöyle dursun, şöyle görünecektir.
Fizikçilerden ve gökbilimcilerden oluşan bir ekibin şu anda yaptığı da tam olarak budur. Ekip, Hollanda, Portekiz ve ABD arasındaki işbirlikçi bir çabayla, eksenlerin nasıl üretildiği, eksenlerin nötron yıldızının çekim kuvvetinden nasıl kurtulduğu ve bunların nötron yıldızının çekim kuvvetinden nasıl kurtulduğuna dair ayrıntılı bir anlayışa olanak tanıyan kapsamlı bir teorik çerçeve oluşturdu. kaçarlarsa düşük enerjili radyo radyasyonuna dönüşürler.
Daha sonra teorik sonuçlar, en son teknolojiye sahip sayısal veriler kullanılarak pulsarların etrafındaki eksenlerin üretimini modellemek için bir bilgisayara aktarıldı. plazma Pulsarların radyo dalgalarını nasıl yaydığının ardındaki fiziği anlamak için orijinal olarak geliştirilen simülasyonlar. 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 daha iyimser bir yaklaşımla ‘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.
Referans: Dion Noordhuis, Anirudh Prabhu, Samuel J. Witte, Alexander Y. Chen, Fábio Cruz ve Christoph Weniger, 15 Eylül 2023, “Pulsar Polar-Cap Basamaklarında Üretilen Eksenlere İlişkin Yeni Kısıtlamalar”, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.111004