ستارگان کهنه و در حال مرگ چه درسی به ما میدهند دربارهٔ آکسیون بهعنوان یک نامزد برای مادهٔ تاریک
آکسیون میتواند بهعنوان یک گزینه برای توضیح معمای مادهٔ تاریک مطرح شود.
چگونه میتوانید بهدنبال ذرات فرضی نامرئی بگردید؟ یک راه این است که ببینید این ذرات چهقدر سریع میتوانند کوهسفیدها — هستههای چگال و باقیماندهٔ ستارگان مرده — را نابود کنند.
در سالهای اخیر، ستارهشناسان بهطور فزایندهای به ذرهٔ نظری به نام آکسیون علاقهمند شدهاند؛ این ذره دههها پیش برای حل یک مشکل چالشبرانگیز در نیرو قوی هستهای ابداع شده بود. اگرچه تلاشهای اولیه برای یافتن آن در آزمایشهای شتابدهندهٔ ذرات بینتیجه ماند، اما این ایده به حاشیه رانده شد.
اهداف این مطالعه کوهسفیدها — هستههای متراکم و کمنور ستارگان مرده — بودند. یک کوهسفید میتواند جرم خورشید را در جسمی کوچکتر از زمین نهفته کند و این باعث میشود که کوهسفیدها از میان عجیبترین اشیای جهان باشند. نکتهٔ کلیدی این است که کوهسفیدها خود را در برابر فروپاشی با فشار دگرگردی الکترونی، که در آن دریایی عظیم از الکترونها آزاد بهدلیل مکانیک کوانتومی که الکترونها هرگز نمیتوانند یکدیگر را بهاشتراک بگذارند، مانع از فروپاشی میشود، حفظ میکنند.
برخی مدلهای رفتار آکسیونها پیشبینی میکنند که این ذرات میتوانند توسط الکترونها تولید شوند: اگر الکترون به سرعت کافی حرکت کند، تولید آکسیون را تحریک میکند. و چون الکترونهای عمیق داخل یک کوهسفید بسیار، بسیار سریع حرکت میکنند — تقریباً با سرعت نور — در حین پرواز در فضاهای محدود خود، میتوانند تعداد زیادی آکسیون تولید کنند.
آکسیونها سپس با سرعت از کوهسفید دور میشوند. این تولید آکسیونهای فرار انرژی کوهسفید را از بین میبرد. از آنجایی که کوهسفیدها بهطور خودجوش انرژی تولید نمیکنند، این باعث میشود که سرعت خنک شدن آنها بیشتر از حالت عادی باشد.
اینکه این ذرهٔ کوچک تقریباً نامرئی باشد به این معنا نیست که در جهان کاملاً نادیده بماند. در مقالهٔ پیشنویس منتشرشده در نوامبر ۲۰۲۵ در سرور دسترسی آزاد arXiv، پژوهشگران روشی برای آزمون مدلهای آکسیون با استفاده از دادههای بایگانی قدیمی تلسکوپ فضایی هابل گزارش دادند. اگرچه شواهدی برای آکسیونها نیافتهاند، اما نسبت به سایر تلاشها برتری نشان دادند و تصویری واضحتر از محدودیتهای موجود در این جهان برای ما فراهم کردند.
پژوهشگران این مدل سردی آکسیون را به مجموعهٔ پیشرفتهای از نرمافزارها وارد کردند که قادر است تحول ستارگان و تغییرات دما و نورانیت آنها را در طول تکامل داخلیشان شبیهسازی کند.
این مدل به پژوهشگران امکان پیشبینی دمای معمولی یک کوهسفید بر اساس سن آن را داد، چه با سردی آکسیون و چه بدون آن. پس از بهدستآمدن نتایج، به دادههای پشتهٔ کروی 47 Tucanae که با تلسکوپ فضایی هابل جمعآوری شده بود، رجوع کردند. پشتههای کروی اهمیت ویژهای دارند چون تمام کوهسفیدهای موجود در آنها تقریباً همزمان شکل گرفتهاند و این برای ستارهشناسان نمونهٔ بزرگی برای مطالعه فراهم میکند.
بهطور خلاصه، پژوهشگران هیچ شواهدی برای سردی آکسیون در جمعیت کوهسفیدها یافتند. اما نتایج آنها محدودیتهای جدیدی بر توانایی الکترونها برای تولید آکسیون وضع کرد: آنها نمیتوانند این کار را با کارآمدی بیش از یک بار در هر تریلیون فرصت انجام دهند.
این نتیجه آکسیونها را بهطور کامل رد نمیکند، اما نشان میدهد که احتمال تعامل مستقیم الکترونها و آکسیونها کم است. بنابراین، اگر میخواهیم به جستجوی آکسیون ادامه دهیم، باید راههای هوشمندانهتری برای کشف آن بیابیم.