ماده تاریک و پرتو گاما در مرکز کهکشان

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 3 نوامبر 2014

مرکز کهکشان ما یکی از جالب‌ترین مناطق مورد مطالعه در نجوم است. تلسکوپ‌های بسیاری در طیف‌های انرژی‌ مختلف به بررسی این منطقه می‌پردازند. تلسکوپ پرتو گامای فرمی^۱ نیز مرکز کهکشان راه شیری را با جزییات دقیق رصد می‌کند. رصدهای سال‌های اخیر، منابع اخترفیزیکی و هم‌چنین تابش پخشی جدیدی را در این ناحیه آشکار کرده است. فرآیندهای تابشی پرانرژی که تولیدکننده‌ی پرتوگاما نیز هستند معمولا با تولید یا شتاب‌دهی ذرات باردار پرتوهای کیهانی همراهند. منبع دیگری که می‌تواند هم پرتوهای کیهانی و هم پرتو گاما تولید کند، محصول نابودی یا واپاشی ذرات ماده تاریک است. چندی است که مرکز کهکشان به عنوان منبع مهمی برای فوتون‌ها و پرتوهای کیهانی ناشی از نابودی ماده تاریک به شمار می‌رود.

شکل ۱: رنگ آبی نشان‌دهنده‌ی ماده‌ تاریک است. این تصویر برخورد پیچیده و جالب دو خوشه‌ی کهکشانی را نشان می‌دهد. رنگ قرمز داده‌های رصدخانه‌ی چاندرا را نشان می‌دهد. رنگ آبی نیز بر اساس داده‌های هابل و رصدخانه‌های دیگر است که نقشه‌ی جرمی مواد موجود را نشان می‌دهد که به احتمال زیاد، غالبا ماده‌ی تاریک است. تصویر از آرشیو چاندرا برداشته شده است.
Credit: NASA’s Chandra X-Ray Observatory

ماده تاریک بخش غالب ماده در جهان است (شکل ۱). این ماده‌ی نامرئی به ماده‌ی مرئی‌ای که ما می‌شناسیم نیروی گرانشی وارد می‌کند ولی هنوز به درستی شناخته نشده است. مطالعات گوناگون نشان می‌دهند که ماده‌ی تاریک در مرکز کهکشان، چگالی بیشتری دارد. از این رو هر اطلاعاتی که از مرکز کهکشان به ما رسد، می‌تواند به ما در راستای شناخت ماده تاریک کمک کند. پرتو گامای رصدشده از مرکز کهکشان که می‌تواند ناشی از واپاشی یا نابودی ذرات ماده‌ی تاریک باشد، مثال خوبی از این پیام‌آورها است.

یک نظریه برای ماده‌ تاریک اینست که این ماده از ذرات پر جرمی به اسم «ویمپ^۲» تشکیل شده‌اند که با مواد دیگر واکنش چندانی ندارند. ذرات ویمپ نیز مانند ذراتی که می‌شناسیم از ماده و ضدماده تشکیل شده‌اند. هروقت ماده و ضدماده با هم برخورد کنند، نابود شده و طی این واکنش انرژی به صورت فوتون یا پرتو گاما آزاد می‌شود. این برخوردها و واکنش‌ها هم‌چنین می‌توانند منجر به تولید ذرات پرتوهای کیهانی (مثلا الکترون و پوزیترون) شوند. این ذرات جدید از مرکز کهکشان به سمت خارج حرکت می‌کنند و به فوتون‌های نور ستاره‌ها انرژی داده تا در محدوده‌ی گاما تابش کنند. به این فرآیند، عکس کامپتون^۳ گفته می‌شود. پژوهشگران در این مقاله برای اولین بار نور ناشی از این فرآیند را آشکار کرده‌اند. محدوده‌ی انرژی این پرتو گاما با پرتو گامایی که به صورت مستقیم از نابودی ماده تاریک به دست آمده‌اند، متفاوت است. هم‌چنین این فوتون‌ها از جهت‌های مختلف و فضای گسترده‌تری به تلسکوپ‌های ما می‌رسند.

شکل ۲: تصویر سمت چپ تابش پرتو گاما در مرکز کهکشان را نشان می‌دهد. تصویر سمت راست بهترین برازش مربوط به چگالی ماده تاریک بر همان نقشه را نشان می‌دهد، وقتی تابش پرتو گاما از منابع شناخته شده‌ و سایر موارد پس‌زمینه کم شده باشد. تصویر به دست آمده می‌تواند نشان‌دهنده‌ی تابش ناشی از ماده تاریک باشد.

ذرات باردار پرانرژی چه در منابع اخترفیزیکی تولید شوند، چه از نابودی ماده تاریک به وجود بیایند، در مناطق مرکزی کهکشان طی فرآیندهایی انرژی خود را از دست می‌دهند. مطالعات جدیدی نشان می‌دهند که دو فرآیند تابش ترمزی^۴ و پراکندگی عکس کامپتون می‌توانند طیف‌ انرژی ذرات باردار ناشی از نابودی ماده تاریک را تغییر دهند. در این مقاله، پژوهشگران برای اولین بار نشان می‌دهند که فرآیندهای مختلف را می‌توان از روی اطلاعات طیفی تفکیک کرد. این پژوهشگران مؤلفه‌ی تابش پرتو گامای گسترده‌ی جدیدی از سمت مرکز کهکشان راه شیری رصد کرده‌اند که طیف آن منطبق بر زوج‌های الکترون-پوزیترونی است که طی فرآیند عکس کامپتون، همان‌طور که در بالا توضیح داده شد، پرتو گاما تولید می‌کنند. هم‌چنین آن‌ها وجود تابشی را تایید کرده‌اند که بر تابش ترمزی منطبق است و مشاهده کرده‌اند که این تابش می‌تواند توسط همان زوج‌های الکترون-پوزیترون تولید شود که در گاز چگال مرکز کهکشان موجودند. این پژوهشگران هم‌چنین حضور منبع گسترده‌ای را در مرکز کهکشان تایید می‌کنند که با فرآیند نابودی ماده‌ی تاریک منطبق است. شکل ۲ تصویر تابش پرتو گاما از مرکز کهکشان را نشان می‌دهد.

به طور کلی فرآیندهای اخترفیزیکی گوناگون مانند تپ‌اخترها (پالسارها) می‌توانند منشا این پرتو گامای مشاهده‌شده باشند ولی نظریه‌ی وجود ماده تاریک به عنوان منبع آن‌ها بهتر از باقی نظریه‌ها  بر داده‌های رصدی منطبق است. مطالعه‌ی پژوهشگران این مقاله حائز اهمیت بسیاری است. این برای اولین بار است که گروه رصدی فرمی ادعا می‌کند که ماده تاریک منبع پرتو گامای رصدشده است. در هر صورت از آن‌جایی که شناخت پس‌زمینه‌ی مرکز کهکشان در مراحل ابتدایی خود به سر می‌برد، تعیین مقدار مازاد پرتو گاما در این ناحیه بسیار پیچیده است و هنوز نمی‌توان نتیجه‌گیری کاملا مطمئنی کرد. طبعا رصدهای بیشتر می‌توانند به قطعیت این نظریه کمک کنند.