محققان می گویند ساعت های اتمی فضایی می توانند به کشف ماهیت ماده تاریک کمک کنند

5 دسامبر 2022 -توسط موسسه کاولی برای فیزیک و ریاضیات کیهان -تصور هنرمند از یک ساعت اتمی فضایی که برای کشف ماده تاریک استفاده می شود. اعتبار: Kavli IPMU

مطالعه جدید منتشر شده در Nature Astronomy نشان می دهد که مطالعه ساعت اتمی روی یک فضاپیما در داخل مدار عطارد و بسیار نزدیک به خورشید ممکن است ترفندی برای کشف ماهیت ماده تاریک باشد.

ماده تاریک بیش از ۸۰ درصد جرم کیهان را تشکیل می‌دهد، اما علیرغم دهه‌ها تلاش آزمایشی، تاکنون بشر از کشف ناکام مانده است. یکی از مؤلفه‌های کلیدی این جستجوها، فرضی در مورد چگالی محلی ماده تاریک است که تعداد ذرات ماده تاریک را که در هر زمان معین از آشکارساز عبور می‌کنند و در نتیجه حساسیت آزمایشی را تعیین می‌کند.در برخی مدل‌ها، این چگالی می‌تواند بسیار بیشتر از حد معمول باشد و ماده تاریک می‌تواند در برخی مناطق در مقایسه با مناطق دیگر متمرکزتر شود.

یکی از دسته‌های مهم جستجوهای تجربی، جستجوهایی هستند که از اتم‌ها یا هسته‌ها استفاده می‌کنند، زیرا این جست‌وجوها به حساسیت باورنکردنی نسبت به سیگنال‌های ماده تاریک دست یافته‌اند. این تا حدی امکان پذیر است، زیرا وقتی ذرات ماده تاریک دارای جرم بسیار کوچکی هستند، نوساناتی را در همان ثابت های طبیعت ایجاد می کنند. این نوسانات، به عنوان مثال در جرم الکترون یا قدرت برهمکنش نیروی الکترومغناطیسی، انرژی های گذار اتم ها و هسته ها را به روش های قابل پیش بینی تغییر می دهند.

یک تیم بین المللی از محققان، پژوهشگر پروژه انستیتوی کاولی برای فیزیک و ریاضیات جهان (Kavli IPMU)، جاشوا ابی، دانشگاه کالیفرنیا، ایروین، عضو فوق دکتری یو-دای تسای، و پروفسور دانشگاه دلور، پروفسور ماریانا اس. سافرونوا، پتانسیل را دیدند. در این سیگنال های نوسانی آنها ادعا کردند که در ناحیه خاصی از منظومه شمسی، بین مدار عطارد و خورشید، چگالی ماده تاریک ممکن است بسیار زیاد باشد، که به معنای حساسیت استثنایی به سیگنال های نوسانی است.

این سیگنال‌ها را می‌توان توسط ساعت‌های اتمی دریافت کرد، که با اندازه‌گیری دقیق فرکانس فوتون‌های ساطع شده در انتقال حالت‌های مختلف در اتم‌ها کار می‌کنند. ماده تاریک فوق سبک در مجاورت آزمایش ساعت می تواند آن فرکانس ها را تغییر دهد، زیرا نوسانات ماده تاریک انرژی فوتون را اندکی افزایش و کاهش می دهد.

ابی گفت: «هرچه ماده تاریک بیشتری در اطراف موقعیت آزمایش وجود داشته باشد، این نوسانات بزرگتر هستند، بنابراین چگالی محلی ماده تاریک هنگام تجزیه و تحلیل سیگنال اهمیت زیادی دارد.

در حالی که چگالی دقیق ماده تاریک در نزدیکی خورشید به خوبی شناخته نشده است، محققان استدلال می کنند که حتی یک جستجوی نسبتاً با حساسیت کم می تواند اطلاعات مهمی را ارائه دهد.

چگالی ماده تاریک در منظومه شمسی تنها با اطلاعات مربوط به مدار سیاره محدود می شود. در ناحیه بین خورشید و عطارد، نزدیکترین سیاره به خورشید، تقریبا هیچ محدودیتی وجود ندارد. بنابراین اندازه‌گیری روی یک فضاپیما می‌تواند به سرعت محدودیت‌های پیشرو در جهان را در مورد ماده تاریک در این مدل‌ها آشکار کند.

فناوری برای آزمایش نظریه آنها از قبل وجود دارد. ابی می گوید کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا که از سال 2018 با کمک محافظ کار می کند، بیش از هر سفینه ساخت بشر در تاریخ به خورشید نزدیک شده است و در حال حاضر در مدار عطارد با برنامه هایی برای حرکت حتی در عرض یک سال به خورشید نزدیک تر است.

ساعت‌های اتمی در فضا به دلایل زیادی غیر از جستجوی ماده تاریک، انگیزه خوبی دارند.

ماموریت‌های فضایی از راه دور، از جمله مأموریت‌های احتمالی آینده به مریخ، به زمان‌سنجی استثنایی نیاز دارند که توسط ساعت‌های اتمی در فضا ارائه می‌شود. یک ماموریت آینده احتمالی، با سپر و خط سیر بسیار شبیه به کاوشگر خورشیدی پارکر، اما حامل یک ساعت اتمی است. ابی گفت، دستگاه می تواند برای انجام جستجو کافی باشد.