פיזיקה מעבר לחוקים ידועים: התנגשויות כוכבי ניוטרונים שופכות אור על תעלומות החומר האפל

מיזוגים של כוכבי ניוטרונים הם אוצר עבור אותות פיזיקה חדשים, עם השלכות לקביעת הטבע האמיתי של החומר האפל, על פי מחקר מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס.

ב-17 באוגוסט 2017, מצפה אינטרפרומטר לייזר גלי כבידה (LIGO), בארצות הברית, ובתולה, גלאי באיטליה, זוהה גלי כבידה מהתנגשות של שני כוכבי נויטרונים. בפעם הראשונה, האירוע האסטרונומי הזה לא נשמע רק בגלי כבידה אלא גם נראה באור על ידי עשרות טלסקופים על הקרקע ובחלל.

מחקר על חלקיקים דמויי אקסיון

הפיזיקאי Bhupal Dev באמנויות ומדעים השתמש בתצפיות מכאן כוכב ניטרונים מיזוג – אירוע שזוהה בחוגים אסטרונומיים כ-GW170817 – כדי להפיק אילוצים חדשים על חלקיקים דמויי אקסיון. חלקיקים היפותטיים אלה לא נצפו ישירות, אך הם מופיעים בהרחבות רבות של המודל הסטנדרטי של הפיזיקה.

אקסונים וחלקיקים דמויי אקסיון מובילים את המועמדים להרכיב חלק מהחומר ה"חסר" או את כל החומר, או החומר האפל, של היקום, שמדענים לא הצליחו להסביר עדיין. לכל הפחות, החלקיקים בעלי האינטראקציה החלשה הללו יכולים לשמש מעין פורטל, המחבר את המגזר הגלוי שבני האדם יודעים עליו רבות למגזר האפל הלא ידוע של היקום.

"יש לנו סיבה טובה לחשוד שאולי פיסיקה חדשה מעבר למודל הסטנדרטי אורבת ממש מעבר לפינה", אמר Dev, המחבר הראשון של המחקר ב- מכתבי סקירה פיזית ועמית סגל של מרכז מקדונל למדעי החלל של האוניברסיטה.

תובנות ממיזוגים של כוכבי ניוטרונים

כאשר שני כוכבי נויטרונים מתמזגים, נוצרת שריד לוהט וצפוף לפרק זמן קצר. שריד זה הוא כר גידול אידיאלי לייצור חלקיקים אקזוטיים, אמר Dev. "השארית מתחממת הרבה יותר מהכוכבים הבודדים למשך שנייה בערך לפני שהיא מתמקמת לכוכב נויטרונים גדול יותר או חור שחורבהתאם להמונים הראשוניים", אמר.

כוכבי נויטרונים נידונים מסתחררים לקראת מותם באנימציה זו, המייצגת תופעות שנצפו עד תשעה ימים לאחר GW170817. אַשׁרַאי: נאס"אמרכז טיסות החלל של גודארד/מעבדת CI

חלקיקים חדשים אלה בורחים בשקט מהפסולת של ההתנגשות, ורחוק ממקורם, יכולים להתפרק לחלקיקים ידועים, בדרך כלל פוטונים. Dev והצוות שלו – כולל בוגר WashU סטיבן האריס (כיום עמית NP3M באוניברסיטת אינדיאנה), כמו גם ז'אן-פרנסואה פורטין, קובר סינהא ויונגצ'או ג'אנג – הראו שחלקיקים שנמלטו אלו יוצרים אותות אלקטרומגנטיים ייחודיים שניתן לזהות על ידי טלסקופים של קרני גמא, כמו Fermi-LAT של נאס"א.

צוות המחקר ניתח מידע ספקטרלי וזמני מאותות אלקטרומגנטיים אלה וקבע שהם יכולים להבחין בין האותות מהרקע האסטרופיזי הידוע. לאחר מכן הם השתמשו בנתוני Fermi-LAT על GW170817 כדי לגזור אילוצים חדשים על האקסיון-פוטון צימוד כפונקציה של מסת האקסיון. אילוצים אסטרופיזיים אלה משלימים לאלו המגיעים מניסויי מעבדה, כגון אקסיון ניסוי חומר אפל (ADMX), אשר בודק אזור אחר במרחב פרמטר האקסיון.

סיכויי עתיד בפיזיקה של חלקיקים

בעתיד, מדענים יוכלו להשתמש בטלסקופי חלל קיימים של קרני גמא, כמו ה-Fermi-LAT, או משימות מוצעות של קרני גמא, כמו טלסקופ החלקיקים-אסטרופיזיקה המתקדם בהובלת WashU (APT), כדי לבצע מדידות אחרות במהלך התנגשויות כוכבי נויטרונים. לעזור לשפר את ההבנה שלהם לגבי חלקיקים דמויי אקסיון.

"סביבות אסטרופיזיות קיצוניות, כמו מיזוגים של כוכבי נויטרונים, מספקות חלון הזדמנויות חדש בחיפוש שלנו אחר חלקיקי מגזר אפל כמו אקסיון, שעשוי להחזיק את המפתח להבנת 85% החסרים מכל החומר ביקום", אמר Dev.

עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע של משרד האנרגיה.