พัลซาร์อาจทำให้สสารมืดเรืองแสงได้

พัลซาร์อาจทำให้สสารมืดเรืองแสงได้

ประทับเวลา: 6 ตุลาคม 2023 8:49 น.
โหนดต้นทาง: 2311806
06 ต.ค. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) คำถามสำคัญในการตามล่าหาสสารมืดอย่างต่อเนื่องคือ มันทำมาจากอะไร คำตอบหนึ่งที่เป็นไปได้คือสสารมืดประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกว่าแอกเซียน ทีมนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์นำโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัมและพรินซ์ตัน ได้แสดงให้เห็นว่าหากสสารมืดประกอบด้วยแอกซอน มันอาจเผยตัวออกมาในรูปของแสงเพิ่มเติมเล็กน้อยที่มาจากดาวฤกษ์ที่กระเพื่อมเป็นจังหวะ

ประเด็นที่สำคัญ

  • มีการแสวงหาอย่างต่อเนื่องเพื่อทำความเข้าใจองค์ประกอบของสสารมืด โดยมีทฤษฎีหนึ่งที่แนะนำว่ามันอาจจะประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกว่าแอกซอน
  • แอกเซียนถูกตั้งสมมติฐานขึ้นในคริสต์ทศวรรษ 1970 เพื่อแก้ไขปัญหาที่ไม่เกี่ยวข้องกับการแยกประจุภายในนิวตรอน ถ้ามีอนุภาคอยู่ อนุภาคจะมีอันตรกิริยากับอนุภาคที่ทราบได้อ่อนมาก ทำให้มันเป็นตัวเลือกที่มีสสารมืด
  • พัลซาร์หรือดาวนิวตรอนที่กำลังหมุนอยู่ซึ่งมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแรงสูงสามารถเปลี่ยนแกนแอกซอนให้เป็นแสงที่สังเกตได้ ทำให้เกิดแนวทางที่เป็นไปได้ในการตรวจจับแอกไซออนและด้วยเหตุนี้จึงเป็นสสารมืด
  • ทีมงานจากหลายประเทศได้พัฒนากรอบทางทฤษฎีที่ครอบคลุมและใช้แบบจำลองเพื่อทำความเข้าใจว่าแอกซอนสามารถเกิดขึ้นรอบๆ พัลซาร์ได้อย่างไร และจะเปลี่ยนเป็นรังสีวิทยุที่ตรวจจับได้อย่างไร
  • ทีมงานใช้ข้อมูลจากพัลซาร์ 27 ดวงเพื่อค้นหาหลักฐานเกี่ยวกับแอกซอน แม้ว่าจะไม่พบหลักฐานโดยตรง แต่การวิจัยก็ได้วางข้อจำกัดที่เข้มงวดที่สุดเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างแอกเซียนและแสง ซึ่งปูทางไปสู่การตรวจสอบธรรมชาติของสสารมืดเพิ่มเติม
    • งานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น (“ข้อจำกัดใหม่เกี่ยวกับ Axions ที่เกิดขึ้นในน้ำตก Pulsar Polar-Cap”). เนบิวลาปู เนบิวลาปู - เศษซากของการระเบิดซูเปอร์โนวาซึ่งมีพัลซาร์อยู่ตรงกลาง พัลซาร์ทำให้สสารธรรมดาในรูปของก๊าซในเนบิวลาสว่างขึ้น ดังที่นักวิจัยได้แสดงให้เห็นแล้ว มันอาจจะทำเช่นเดียวกันกับสสารมืดในรูปของแกน ซึ่งนำไปสู่การเรืองแสงเพิ่มเติมเล็กน้อยที่สามารถวัดได้ (ภาพ: NASA/CXC/ASU/J. Hester และคณะ)

    วิจัย

    สสารมืดอาจเป็นองค์ประกอบที่เป็นที่ต้องการมากที่สุดในจักรวาลของเรา น่าประหลาดใจที่สสารรูปแบบลึกลับนี้ซึ่งนักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ยังไม่สามารถตรวจพบได้ สันนิษฐานว่าเป็นส่วนสำคัญของสิ่งที่อยู่ข้างนอกนั่น สสารไม่น้อยกว่า 85% ในจักรวาลถูกสงสัยว่าเป็น 'ความมืด' ซึ่งปัจจุบันสังเกตเห็นได้ชัดผ่านแรงดึงโน้มถ่วงที่มันกระทำกับวัตถุทางดาราศาสตร์อื่น ๆ เท่านั้น เป็นที่เข้าใจได้ว่านักวิทยาศาสตร์ต้องการมากกว่านี้ พวกเขาต้องการเห็นสสารมืดจริงๆ หรืออย่างน้อยที่สุดก็ตรวจจับการมีอยู่ของมันได้โดยตรง ไม่ใช่แค่สรุปจากผลกระทบของแรงโน้มถ่วงเท่านั้น และแน่นอน พวกเขาต้องการรู้ว่ามันคืออะไร

    เคลียร์ปัญหาสองเรื่อง

    มีสิ่งหนึ่งที่ชัดเจน: สสารมืดไม่สามารถเป็นสสารประเภทเดียวกับที่คุณและฉันสร้างขึ้นได้ หากเป็นเช่นนั้น สสารมืดก็จะมีพฤติกรรมเหมือนสสารธรรมดา มันจะก่อตัวเป็นวัตถุคล้ายดวงดาว สว่างขึ้น และไม่เป็น 'ความมืด' อีกต่อไป นักวิทยาศาสตร์จึงมองหาสิ่งใหม่ ซึ่งเป็นอนุภาคประเภทที่ยังไม่มีใครตรวจพบ และอาจโต้ตอบได้น้อยมากกับอนุภาคประเภทที่เรารู้จัก ซึ่งอธิบายว่าทำไมองค์ประกอบของโลกนี้ถึงยังคงเข้าใจยาก มีเบาะแสมากมายว่าจะดูที่ไหน ข้อสันนิษฐานหนึ่งที่ได้รับความนิยมคือสสารมืดสามารถสร้างขึ้นจากแอกซอนได้ อนุภาคประเภทสมมุตินี้ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในปี 1970 เพื่อแก้ไขปัญหาที่ไม่เกี่ยวข้องกับสสารมืด การแยกประจุบวกและลบภายในนิวตรอนซึ่งเป็นหนึ่งในองค์ประกอบสำคัญของอะตอมธรรมดา กลายเป็นเรื่องเล็กอย่างไม่คาดคิด แน่นอนว่านักวิทยาศาสตร์ต้องการทราบว่าเหตุใด ปรากฎว่าการมีอยู่ของอนุภาคประเภทที่ตรวจไม่พบมาจนบัดนี้ ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับองค์ประกอบของนิวตรอนอ่อนมาก อาจทำให้เกิดผลกระทบเช่นนั้นได้ ผู้ได้รับรางวัลโนเบลในเวลาต่อมา Frank Wilczek ได้ตั้งชื่ออนุภาคใหม่ว่า axion ไม่ใช่แค่คล้ายกับชื่ออนุภาคอื่นๆ เช่น โปรตอน นิวตรอน อิเล็กตรอน และโฟตอน แต่ยังได้รับแรงบันดาลใจจากผงซักฟอกซักผ้าที่มีชื่อเดียวกันอีกด้วย axion อยู่ที่นั่นเพื่อทำความสะอาดปัญหา ในความเป็นจริงแม้จะไม่เคยถูกตรวจพบ แต่ก็สามารถทำความสะอาดได้สองรายการ ทฤษฎีหลายประการสำหรับอนุภาคมูลฐาน รวมถึงทฤษฎีสตริง ซึ่งเป็นหนึ่งในทฤษฎีชั้นนำที่จะรวมพลังทั้งหมดในธรรมชาติเข้าด้วยกัน ดูเหมือนจะทำนายว่าอนุภาคคล้ายแอกซอนอาจมีอยู่ได้ หากแอกซีออนอยู่ที่นั่นจริง ๆ พวกมันจะประกอบเป็นส่วนหนึ่งหรือกระทั่งทั้งหมดของสสารมืดที่หายไปได้หรือไม่ บางที แต่คำถามเพิ่มเติมที่หลอกหลอนการวิจัยเรื่องสสารมืดทั้งหมดก็ใช้ได้กับ axions เช่นกัน ถ้าเป็นเช่นนั้น เราจะเห็นพวกมันได้อย่างไร คนเราจะทำให้บางสิ่ง 'มืด' มองเห็นได้อย่างไร?

    ส่องแสงไปที่สสารมืด

    โชคดีที่ดูเหมือนว่าสำหรับ axions อาจมีทางออกจากปริศนานี้ หากทฤษฎีที่ทำนายแอกซอนนั้นถูกต้อง พวกมันไม่เพียงแต่ถูกคาดหวังให้กำเนิดมวลในเอกภพเท่านั้น แต่แอกซอนบางตัวยังสามารถแปลงเป็นแสงเมื่อมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแรงสูงอีกด้วย เมื่อมีแสงสว่างเราก็จะมองเห็นได้ นี่อาจเป็นกุญแจสำคัญในการตรวจจับ axions และเพื่อตรวจจับสสารมืดหรือไม่ เพื่อตอบคำถามนี้ นักวิทยาศาสตร์ต้องถามตัวเองก่อนว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แรงที่สุดที่เรารู้จักอยู่ที่ไหนในจักรวาล คำตอบคือ: ในบริเวณรอบๆ ดาวนิวตรอนที่กำลังหมุนรอบตัวเองหรือที่เรียกว่าพัลซาร์ พัลซาร์เหล่านี้ ย่อมาจาก 'ดาวฤกษ์ที่เร้าเป็นจังหวะ' เป็นวัตถุหนาแน่น โดยมีมวลประมาณเท่าดวงอาทิตย์ แต่มีรัศมีที่เล็กกว่าประมาณ 100,000 เท่า หรือประมาณ 10 กม. เท่านั้น ด้วยขนาดที่เล็กมาก พัลซาร์จึงหมุนด้วยความถี่มหาศาล ปล่อยลำคลื่นวิทยุที่แคบและสว่างไปตามแกนการหมุนของพวกมัน คล้ายกับประภาคาร ลำแสงของพัลซาร์สามารถกวาดไปทั่วโลก ทำให้สามารถสังเกตดาวฤกษ์ที่เต้นเป็นจังหวะได้ง่าย อย่างไรก็ตาม การหมุนอันมหาศาลของพัลซาร์ทำได้มากกว่านั้น มันเปลี่ยนดาวนิวตรอนให้เป็นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีกำลังสูงมาก ในทางกลับกันอาจหมายความว่าพัลซาร์เป็นโรงงานแอกซอนที่มีประสิทธิภาพมาก ทุก ๆ วินาที พัลซาร์โดยเฉลี่ยจะสามารถสร้างจำนวนแกนได้ 50 หลัก เนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแรงสูงรอบๆ พัลซาร์ เศษเสี้ยวของแกนเหล่านี้จึงสามารถแปลงเป็นแสงที่สังเกตได้ นั่นคือ: ถ้าแอกเซียนมีอยู่จริง แต่กลไกนี้สามารถใช้เพื่อตอบคำถามนั้นได้ แค่ลองดูที่พัลซาร์ ดูว่าพวกมันเปล่งแสงเพิ่มเติมหรือไม่ และถ้าพวกมันเปล่งแสงออกมา ให้พิจารณาว่าแสงพิเศษนี้อาจมาจากแกนแกนหรือไม่

    จำลองแสงอันละเอียดอ่อน

    เช่นเดียวกับในทางวิทยาศาสตร์ แน่นอนว่าการสังเกตเช่นนั้นจริง ๆ แล้วไม่ใช่เรื่องง่ายขนาดนั้น แสงที่ปล่อยออกมาจากแกนซึ่งตรวจจับได้ในรูปของคลื่นวิทยุ จะเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของแสงทั้งหมดที่ประภาคารสว่างจักรวาลเหล่านี้ส่งมาให้เรา เราต้องรู้อย่างแม่นยำว่าพัลซาร์ที่ไม่มีแอกเซียนจะมีลักษณะอย่างไร และพัลซาร์ที่มีแอกเซียนจะมีหน้าตาเป็นอย่างไร จึงจะสามารถเห็นความแตกต่าง ไม่ต้องพูดถึงการหาปริมาณความแตกต่างนั้นและเปลี่ยนให้เป็นการวัดปริมาณความมืด วัตถุ. นี่คือสิ่งที่ทีมนักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ได้ทำในตอนนี้ ในความพยายามร่วมกันระหว่างเนเธอร์แลนด์ โปรตุเกส และสหรัฐอเมริกา ทีมงานได้สร้างกรอบทางทฤษฎีที่ครอบคลุมซึ่งช่วยให้เข้าใจโดยละเอียดว่าแอกซอนเกิดขึ้นได้อย่างไร แอกเซียนหลุดพ้นจากแรงโน้มถ่วงของดาวนิวตรอนอย่างไร และอย่างไรในระหว่างการหลบหนี พวกมันแปลงเป็นรังสีวิทยุพลังงานต่ำ จากนั้นผลลัพธ์ทางทฤษฎีจะถูกนำไปวางบนคอมพิวเตอร์เพื่อสร้างแบบจำลองการผลิตแกนรอบพัลซาร์ โดยใช้การจำลองพลาสมาเชิงตัวเลขอันล้ำสมัยที่พัฒนาขึ้นมาเพื่อทำความเข้าใจฟิสิกส์เบื้องหลังวิธีที่พัลซาร์ปล่อยคลื่นวิทยุ เมื่อเกิดขึ้นจริงแล้ว จะมีการจำลองการแพร่กระจายของแกนผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของดาวนิวตรอน สิ่งนี้ทำให้นักวิจัยสามารถเข้าใจเชิงปริมาณเกี่ยวกับการผลิตคลื่นวิทยุในเวลาต่อมา และจำลองว่ากระบวนการนี้จะให้สัญญาณวิทยุเพิ่มเติมนอกเหนือจากการปล่อยก๊าซภายในที่เกิดจากพัลซาร์เองได้อย่างไร

    นำแบบจำลอง axion มาทดสอบ

    จากนั้นนำผลลัพธ์จากทฤษฎีและการจำลองไปทดสอบเชิงสังเกตครั้งแรก นักวิจัยได้เปรียบเทียบคลื่นวิทยุที่สังเกตได้กับแบบจำลองโดยใช้การสังเกตการณ์จากพัลซาร์ใกล้เคียง 27 แห่ง เพื่อดูว่าส่วนเกินที่วัดได้สามารถเป็นหลักฐานของการมีอยู่ของแกนได้หรือไม่ น่าเสียดายที่คำตอบคือ 'ไม่' หรืออาจมองในแง่ดีมากกว่านั้น: 'ยัง' Axions ไม่ได้กระโดดเข้ามาหาเราในทันที แต่บางทีนั่นอาจเป็นเรื่องที่ไม่คาดคิด หากสสารมืดจะละทิ้งความลับของมันอย่างง่ายดาย คงจะถูกสังเกตมานานแล้ว ความหวังในการตรวจจับ axions ด้วยปืนสูบบุหรี่จึงอยู่ในการสังเกตการณ์ในอนาคต ในขณะเดียวกัน การไม่สังเกตสัญญาณวิทยุจาก axions ในปัจจุบันก็เป็นผลลัพธ์ที่น่าสนใจในตัวมันเอง การเปรียบเทียบครั้งแรกระหว่างการจำลองกับพัลซาร์จริงได้วางขีดจำกัดที่แข็งแกร่งที่สุดจนถึงปัจจุบันเกี่ยวกับอันตรกิริยาที่แอกชันสามารถมีกับแสงได้ แน่นอนว่าเป้าหมายสูงสุดคือการทำมากกว่าแค่กำหนดขีดจำกัด คือการแสดงให้เห็นว่ามีแอกเซียนอยู่ข้างนอกนั้น หรือเพื่อให้แน่ใจว่าแอกไซออนไม่น่าเป็นไปได้อย่างยิ่งที่จะเป็นส่วนประกอบของสสารมืดเลย ผลลัพธ์ใหม่เป็นเพียงก้าวแรกในทิศทางนั้น พวกเขาเป็นเพียงจุดเริ่มต้นของสิ่งที่อาจกลายเป็นสาขาใหม่ที่มีสาขาวิชาข้ามสาขาวิชาสูงซึ่งมีศักยภาพในการค้นหา axions ความก้าวหน้าอย่างมาก

    ประทับเวลา:

    เพิ่มเติมจาก นาโนเวิร์ค