SciTechDaily

ניקולס

חומר אפל מפוענח: כיצד כוכבי ניוטרונים עשויים לפתור את התעלומה הגדולה ביותר של היקום

מחקר שנערך לאחרונה ממרכז המצוינות של ARC לפיזיקת חלקיקי החומר האפל מצביע על כך שכוכבי נויטרונים יכולים למלא תפקיד מכריע בהבנת החומר האפל. המחקר מצא שחלקיקי חומר אפל, כשהם מתנגשים בתוך כוכבי נויטרונים, יכולים לחמם במהירות את הכוכבים הללו, מה שעלול להפוך אותם לצפייה באמצעות טכנולוגיות אסטרונומיות עתידיות. תהליך החימום המהיר הזה, שנמשך בעבר זמן רב יותר מגיל היקום, נראה כעת בר השגה תוך ימים, ומספק שיטה חדשה לחקור את האינטראקציות של החומר האפל עם החומר הרגיל.

מחקרים עדכניים מצביעים על כך שכוכבי נויטרונים עשויים להתחמם במהירות עקב התנגשויות של חומר אפל, מה שמציע דרך חדשה לזהות ולחקור חומר אפל.

מדענים עשויים להיות צעד אחד קרוב יותר לפענוח אחת התעלומות הגדולות ביותר של היקום. החישובים האחרונים שלהם מצביעים על כך שכוכבי נויטרונים יכולים למלא תפקיד מכריע בשפיכת אור על החומר האפל המסתורי.

במאמר שפורסם ב כתב העת לקוסמולוגיה ופיזיקה של אסטרוחלקיקיםפיזיקאים ממרכז המצוינות של ARC לפיזיקת חלקיקי חומר אפל, בראשות אוניברסיטת מלבורן, חישבו שאנרגיה המועברת כאשר חלקיקי חומר אפל מתנגשים ומחסלים בתוך כוכבי נויטרונים מתים קרים יכולה לחמם את הכוכבים מהר מאוד.

בעבר חשבו שהעברת אנרגיה זו עשויה להימשך זמן רב מאוד, במקרים מסוימים, יותר מגיל היקום עצמו, מה שהופך את החימום הזה ללא רלוונטי.

פרופסור ניקול בל מאוניברסיטת מלבורן אמרה כי החישובים החדשים מראים לראשונה שרוב האנרגיה תופקד תוך מספר ימים בלבד.

"החיפוש אחר חומר אפל הוא אחד מסיפורי הבלשים הגדולים ביותר במדע. החומר האפל מהווה 85 אחוז מהחומר ביקום שלנו, אבל אנחנו לא יכולים לראות אותו. חומר אפל אינו יוצר אינטראקציה עם אור – הוא אינו סופג אור, אינו מחזיר אור, אינו פולט אור. זה אומר שהטלסקופים שלנו לא יכולים לצפות בו ישירות, למרות שאנו יודעים שהוא קיים. במקום זאת, כוח הכבידה שלו על עצמים שאנו יכולים לראות אומר לנו שהוא חייב להיות שם.

"זה דבר אחד לחזות תיאורטית את החומר האפל, אבל זה דבר אחר להתבונן בו בניסוי. ניסויים על פני כדור הארץ מוגבלים על ידי האתגרים הטכניים של ייצור גלאים גדולים מספיק. עם זאת, כוכבי נויטרונים פועלים כגלאי חומר אפל טבעי ענק, שאוספו חומר אפל במשך טווחי זמן ארוכים מבחינה אסטרונומית, ולכן הם מקום טוב עבורנו לרכז את המאמצים שלנו", אמר פרופסור בל.

תפקידם של כוכבי ניוטרונים בזיהוי חומר אפל

כוכבי ניוטרונים נוצרים כאשר לכוכב על-מסיבי נגמר הדלק והוא קורס. יש להם מסה דומה לזו של השמש שלנו, דחוסה לכדור ברוחב של 20 ק"מ בלבד. אם יהיו צפופים יותר, הם יהפכו לחורים שחורים.

"בעוד שחומר אפל הוא הסוג הדומיננטי של החומר ביקום, קשה מאוד לזהות אותו מכיוון שהאינטראקציות שלו עם החומר הרגיל חלשות מאוד. כל כך חלש, למעשה, שחומר אפל יכול לעבור ישר דרך כדור הארץ, או אפילו דרך השמש.

"אבל כוכבי נויטרונים שונים – הם כל כך צפופים שחלקיקי חומר אפל נוטים הרבה יותר לקיים אינטראקציה עם הכוכב. אם חלקיקי החומר האפל אכן יתנגשו בניוטרונים בכוכב, הם יאבדו אנרגיה ויילכדו. עם הזמן, זה יוביל להצטברות של חומר אפל בכוכב", אמר פרופסור בל.

מועמד לדוקטורט מאוניברסיטת מלבורן, מייקל וירגטו, אמר כי הדבר צפוי לחמם כוכבי נויטרונים ישנים וקרים לרמה שעשויה להיות בהישג יד של תצפיות עתידיות, או אפילו לגרום להתמוטטות הכוכב ל- חור שחור.

"אם העברת האנרגיה מתרחשת מספיק מהר, ה כוכב ניטרונים היה מתחמם. כדי שזה יקרה, החומר האפל חייב לעבור התנגשויות רבות בכוכב, ולהעביר עוד ועוד מהאנרגיה של החומר האפל עד שבסופו של דבר, כל האנרגיה הופקדה בכוכב", אמר מר וירגטו.

בעבר לא היה ידוע כמה זמן התהליך הזה ייקח מכיוון שככל שהאנרגיה של חלקיקי החומר האפל הולכת וקטנה, יש פחות ופחות סיכוי שהם יתקשרו שוב. כתוצאה מכך, חשבו שהעברת כל האנרגיה נמשכת זמן רב מאוד – לפעמים יותר מגיל היקום. במקום זאת, החוקרים חישבו כי 99% מהאנרגיה מועברת תוך מספר ימים בלבד.

"אלה חדשות טובות כי זה אומר שחומר אפל יכול לחמם כוכבי נויטרונים לרמה שאפשר לזהות. כתוצאה מכך, התצפית בכוכב נויטרונים קר תספק מידע חיוני על יחסי הגומלין בין חומר אפל לחומר רגיל, ולשפוך אור על טבעו של החומר החמקמק הזה.

"אם אנחנו רוצים להבין את החומר האפל – שנמצא בכל מקום – זה קריטי שנשתמש בכל טכניקה העומדת לרשותנו כדי להבין מהו החומר החבוי של היקום שלנו בעצם", אמר מר וירגטו.

מחקר זה נערך על ידי צוות של מומחים בינלאומיים במרכז המצוינות של ARC לפיזיקת חלקיקי חומר אפל, כולל פרופסור ניקול בל ומייקל וירגטו מאוניברסיטת מלבורן, ד"ר ג'ורג'יו בוסוני מה- האוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה וד"ר סנדרה רובלס ממעבדת האצה הלאומית של פרמי, ארה"ב.

ניקולס