جستجوی ماده تاریک در رصدخانه‌ی هاک

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 10 می 2014

تصویر ۱: رصدخانه هاک به منظور آشکارسازی پرتو گاما و پرتوهای کیهانی ساخته شده است. این رصدخانه در مکزیک و در ارتفاع ۴۱۰۰ متری واقع شده است. تانک‌های سفیدی که در شکل می‌بینید آشکارسازهای آبی چرنکوف هستند. تصویر از وبسایت هاک برداشته شده است.

رصدخانه هاک (HAWC*) به منظور آشکارسازی پرتو گاما و پرتوهای کیهانی در انرژی حدود TeV (تریلیون الکترون ولت) در دست احداث است. این رصدخانه در هر لحظه حدود ۱۵٪ آسمان را پوشش می‌دهد. این زاویه دید نسبتاً بزرگ به این معنی است که در طول شبانه‌روز تقریبا ۲/۳ (کسر) آسمان رصد می‌شود. ساخت هاک احتمالا تا تابستان ۲۰۱۴ به پایان می‌رسد. این رصدخانه در دامنه‌ی آتشفشان سیرا نگرا (Sierra Negra) نزدیک پوبلا (Puebla) در مکزیک واقع شده است (به تصویر ۱ نگاه کنید). ارتفاع ۴۱۰۰ متری این رصدخانه امکان پیمایش دقیق آسمان در انرژی بین صدمیلیارد تا صدتریلیون الکترون‌‌ولت را فراهم می‌کند.

تصویر ۲: شبیه‌سازی یک ذره‌ی باردار که از داخل تانک آبی عبور می‌کند (خط قرمز) و نور چرنکوف تابش می‌کند (خطوط سبز). چهار قطعه‌ای که در پایین تصویر دیده می‌شوند گسیلنده‌های نور هستند که نور تولید شده را آشکار، تکثیر و به الکترونیک متصل به تانک می‌رسانند. تصویر از وبسایت هاک برداشته شده است.

هاک با استفاده از آشکارسازهای آبی چرنکوف (Cherenkov) پرتوهای گاما و پرتوهای کیهانی را مطالعه می‌کند (به تصویر ۲ نگاه کنید). هنگامی که یک ذره‌ مثلاً الکترون یا میون با سرعتی بیشتر از سرعت نور در آب حرکت می‌کند، فوتون تابش می‌کند که به آن پدیده‌ی چرنکوف گفته می‌شود. نور تولید شده در آب توسط گسیلنده‌های نور (PMT**) که درون تانک قرار داده شده‌اند آشکار و تکثیر شده و به الکترونیک مجموعه فرستاده می‌شود. دقت کنید که طبق نظریه‌ی نسبیت، امکان داشتن  سرعتی بیشتر از سرعت نور در «خلأ» وجود ندارد. ولی امکان داشتن سرعتی بیشتر از سرعت نور در «آب» یا مواد دیگر ممکن است، چرا که این عدد کم‌تر از عدد c یا سرعت نور در خلأ (برابر با ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه) است که حد بالای سرعت طبق نظریه‌ی نسبیت است. ذرات ثانویه‌ای که نور چرنکوف تولید می‌کنند، از بهمن‌های گسترده‌ی هوایی ایجاد می‌شوند. بهمن‌های گسترده‌ی هوایی هنگامی به وجود می‌آیند که یک ذره اولیه‌ی پرتو کیهانی یا پرتو گاما به مولکول‌های جو زمین برخورد می‌کنند. این موضوع را قبلا در این نوشته مربوط به رصدخانه‌ی پیراوژه هم دیده بودیم.

آشکارسازی پرتو گاما در محدوده‌ی انرژی هاک امکان مطالعات نجومی زیادی را فراهم می‌آورد. یکی از جالب‌ترین این مطالعات، بررسی انهدام (annihilation) ماده تاریک است. ذرات ماده تاریک که ویمپ (WIMP***) نامیده می‌شوند، مانند باقی ذرات بنیادی می‌توانند با ضدماده‌ی خود واکنش دهند و طی فرآیندهای گوناگونی فوتون آزاد کنند. این فوتون‌ها می‌توانند همان پرتوهای گامایی باشند که در هاک آشکار می‌شوند. آشکارسازی محصولات واکنش‌های انهدامی ذرات ماده تاریک به «آشکارسازی غیرمستقیم» ماده تاریک معروف است و می‌تواند جرم، طیف واکنش انهدامی، و سطح مقطع انهدامی ماده تاریک را به طور غیرمستقیم اندازه‌گیری کند و یا به طور دقیق‌تر حدودی بر این مقادیر به دست آورد. در این‌جا متذکر می‌شویم که طبیعت ذرات ماده تاریک به درستی شناخته نشده است و ویمپ تنها یکی از کاندیداهاییست که بیش از باقی ذرات محبوب است. برای مطالعه‌ی بیشتر راجع به ذرات ماده تاریک این مقاله را بخوانید.

اثرات ماده تاریک در رصدهای بسیاری مشاهده شده‌اند: از جمله منحنی‌های چرخش کهکشانی، خوشه‌های کهکشانی، همگرایی گرانشی، ساختارهای کیهانی بزرگ‌مقیاس، و تابش زمینه‌ی کیهانی. رصدخانه هاک حساسیت کافی برای کاوش‌های گوناگون انهدام ماده تاریک را دارد؛ از جمله انهدام ناشی از منابع گسترده ماده تاریک، تابش پرتو گامای پخشی از انهدام ماده تاریک، و تابش پرتو گاما از هاله‌های خاموش ماده تاریک. پژوهشگران در این مقاله، حساسیت هاک را به زیرمجموعه‌ای از این منابع، شامل کهکشان‌های کوتوله، کهکشان M31، خوشه‌ی دوشیزه (Virgo) و مرکز کهکشان راه شیری بررسی می‌کنند. برای این کار، واکنش هاک را به پرتو گامای رسیده از این منابع شبیه‌سازی می‌کنند. اگر هیچ پرتو گامایی مشاهده نشود، هاک می‌تواند حدودی برای سطح مقطع واکنش انهدام ماده تاریک به دست آورد. مطالعات پژوهشگران هاک نشان می‌دهد که این رصدخانه بعد از ۵ سال رصد می‌تواند مرزهایی قوی بر ذرات ماده تاریک پرجرم رسیده از منابع رصدی ذکر شده در بالا به دست آورد و سطح مقطع واکنش این ذرات را محاسبه کند. هم‌چنین هاک بررسی خواهد کرد که آیا مقدار زیادتر پوزیترون (ضد الکترون) مشاهده شده نسبت به مقدار الکترون در آشکارسازهای ذرات می‌تواند به دلیل انهدام ماده تاریک باشد. کامل شدن رصدخانه‌ی هاک امکان مطالعه‌ی ماده تاریک پرجرم را با حساسیت فوق‌العاده‌‌ای فراهم می‌کند.