آزمودن نظریه ریسمان با کمک داده‌های تلسکوپ چاندرا
ترکیب همه نیروها، ذرات و برهم‌کنش‌ها در یک نظریه و چهارچوب یکی از بزرگ‌ترین ایده‌ها در علم فیزیک است. از میان ایده‌های ارائه شده در این رابطه نظریه ریسمان یکی از بهترین طرح‌ها برای رسیدن به «نظریه همه چیز» است که البته آزمودن و تایید آن کار آسانی نیست.
برای رسیدن به این انقلاب بزرگ در علم فیزیک هنوز راهی طولانی باقی مانده است. نسخه‌های مختلفی از نظریه ریسمان در چند دهه اخیر ارائه شده است اما آزمایش‌های عملی صورت گرفته بسیار محدود بوده‌اند. اکنون اما اخترشناسان با استفاده از تلسکوپ پرتو ایکس چاندرا گام بلندی در این زمینه برداشته‌اند.
اخترشناسان با جست‌وجو در خوشه‌های کهکشانی تلاش کردند تا یک ذره مخصوص که وجود آن در بسیاری از مدل‌های نظریه ریسمان پیش‌بینی شده را آشکار کنند. پژوهشی که البته منجر به کشف این ذره نشد، اما نتایج آن به نظریه‌پردازان در اصلاح نظریات‌شان کمک خواهد کرد.
Christopher Reynolds، یکی از پژوهشگران این مطالعه از دانشگاه کمبریج انگلستان، در این رابطه گفته: «آشکار شدن این ذرات فیزیک را برای همیشه تغییر خواهد داد».
ذره‌ای که Reynold و همکارانش در جستوجوی آن هستند آکسیون (axion) نام دارد. بر اساس نظریات این ذره که هنوز آشکار نشده جرم بسیار کمی دارد. دانشمندان بازه دقیق جرم این ذره را نمی‌دانند. اما در بسیاری از نظریات جرم این ذره چیزی بین حدود یک میلیونیم جرم الکترون تا صفر پیش‌بینی شده است. برخی از پژوهشگران احتمال می‌دهند که آکسیون‌ها می‌توانند پاسخی برای معمایی بزرگ در اخترشناسی، یعنی ماده تاریک، باشد. ماده تاریک نوعی جرم ناپیدا است که درصد قابل توجهی از ماده موجود در عالم را تشکیل می‌دهد.
یکی از ویژگی‌های عجیب این ذرات کم‌جرم امکان تبدیل آن‌ها به فوتون است. بر اساس نظریات ارائه شده آکسیون‌ها با گذر از میدان‌های مغناطیسی به فوتون تبدیل می‌شوند. مسیری که عکس آن نیز امکان‌پذیر است و فوتون‌ها هم می‌توانند تحت شرایط خاصی به آکسیون تبدیل شوند.
برخی از پژوهشگران نیز احتمال وجود رده دیگری از ذرات بسیار کم‌جرم را مطرح کرده‌اند که ویژگی‌هایی شبیه به آکسیون‌ها دارند. این ذرات آکسیون‌مانند اما در قابلیت تبدیل با آکسیون‌ها تفاوت دارند.
«ممکن است جست‌وجو برای یافتن ذرات کوچکی همچون آکسیون‌ها در ساختارهای غول‌پیکری مانند خوشه‌های کهکشانی عجیب به نظر برسد، اما خوشه‌های کهکشانی مکانی عالی برای جستوجوی این ذرات هستند». این گفته David Marsh از دانشگاه استکهلم سوئد است که در این پژوهش مشارکت داشته. او اضافه کرده «خوشه‌های کهکشانی میزبان میدان‌های مغناطیسی در فواصل بسیار بزرگ هستند و می‌توانند میزبان منابع پرتو ایکس درخشانی نیز باشند. این ویژگی‌ها می‌تواند شانس آشکارسازی تبدیل ذرات آکسیون‌مانند را افزایش دهد».
پژوهشگران برای یافتن این ذرات داده‌های رصدخانه پرتو ایکس چاندرا از سقوط مواد در یک ابرسیاهچاله در مرکز خوشه کهکشانی برساوش را مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها به دقت طیف یا میزان تابش پرتو ایکس در انرژی‌های مختلف را بررسی کردند. رصدهای طولانی چاندرا و منبع پرتو ایکس درخشان مورد نظر حساسیت کافی برای آشکارسازی ردپای ذرات آکسیون‌مانند را برای دانشمندان فراهم کرد. در واقع ثبت اعوجاجات حاصل از وجود این ذرات امکان‌پذیر بود. هر چند که در این پژوهش دانشمندان موفق به آشکارسازی این ذرات نشدند.
مسئله‌ای که شاید در نگاه اول ناامیدکننده به نظر برسد، اما این دقیقا همان روشی است که علم با آن به پیش می‌رود. عدم آشکارسازی ردپای این ذرات احتمال وجود بسیاری از انواع ذرات آکسیون‌مانند که جرم‌شان در محدوده حساسیت رصدها بود را کاهش داد. از سوی دیگر نتایج این پژوهش می‌تواند به نظریه‌پردازان تئوری ریسمان کمک کند تا نظریات خود را اصلاح کنند.
در هر صورت می‌توان برداشت‌های مختلفی از نتایج این پژوهش داشت. از عدم وجود ذرات آکسیون‌مانند گرفته تا وجود داشتن آن‌ها با ویژگی‌هایی متفاوت نسبت به آن‌چه پژوهشگران به دنبال آن بودند.
در هر حال برای تکمیل شدن قطعات این پازل نیاز به فعالیت‌های نظری و آزمایشی بیشتری است.
عکس کاور: تصویر رصدخانه پرتو ایکس چاندرا از خوشه کهکشانی برساوش.
Credit: NASA/CXC/Univ. of Cambridge/C. Reynolds et al
