En astrofysiker vid University of Colorado Boulder letar efter ljuset som kommer från en avlägsen, och extremt kraftfulla himmelska föremål, för vad som kan vara det mest svårfångade ämnet i universum:mörk materia.

I två färska studier, Jeremy älskling, professor vid institutionen för astrofysik och planetvetenskap, har tagit en djup titt på PSR J1745-2900. Denna kropp är en magnetar, eller en typ av kollapsad stjärna som genererar ett otroligt starkt magnetfält.

"Det är den bästa detektorn för naturlig mörk materia vi känner till, sa älskling, även av Center for Astrophysics and Space Astronomy (CASA) vid CU Boulder.

Han förklarade att mörk materia är ett slags kosmiskt lim – en ännu oidentifierad partikel som utgör ungefär 27 % av universums massa och hjälper till att binda samman galaxer som vår egen Vintergatan. Hittills, forskare har mestadels lett jakten på denna osynliga materia med hjälp av laboratorieutrustning.

Darling har tagit ett annat tillvägagångssätt i sin senaste forskning:Rita på teleskopdata, han kikar på PSR J1745-2900 för att se om han kan upptäcka de svaga signalerna från en kandidat för mörk materia – en partikel som kallas axionen – som omvandlas till ljus. Än så länge, forskarens sökning har blivit tom. Men hans resultat kan hjälpa fysiker som arbetar i laboratorier runt om i världen att begränsa sina egna jakter på axionen.

De nya studierna är också en påminnelse om att forskare fortfarande kan se till himlen för att lösa några av de svåraste frågorna inom vetenskapen, sa älskling. Han publicerade sin första omgång av resultat denna månad i Astrofysiska tidskriftsbrev och Fysiska granskningsbrev .

"Inom astrofysik, vi hittar alla dessa intressanta problem som mörk materia och mörk energi, sedan går vi tillbaka och låter fysiker lösa dem, sa han. Det är synd.

Naturligt experiment

Darling vill ändra på det - i det här fallet, med lite hjälp från PSR J1745-2900.

Denna magnetar kretsar kring det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatans galax på ett avstånd på mindre än ett ljusår bort. Och det är en naturkraft:PSR J1745-2900 genererar ett magnetfält som är ungefär en miljard gånger kraftfullare än den kraftigaste magneten på jorden.

"Magnetärer har allt magnetfält som en stjärna har, men det har krossats ner till ett område som är cirka 20 kilometer tvärs över, " sa Darling.

Och det är där Darling har fiskat efter mörk materia.

Han förklarade att forskare ännu inte har hittat en enda axion, en teoretisk partikel som först föreslogs på 1970-talet. Fysiker, dock, förutsäga att dessa tillfälliga bitar av materia kan ha skapats i monumentala antal under universums tidiga liv – och i tillräckligt stora mängder för att förklara kosmos extra massa från mörk materia. Enligt teorin, axioner är miljarder eller till och med biljoner gånger lättare än elektroner och interagerar endast sällan med sin omgivning.

Det gör dem nästan omöjliga att observera, med ett stort undantag:Om en axion passerar genom ett starkt magnetfält, det kan förvandlas till ljus som forskare kan, teoretiskt sett, upptäcka, detektera.

Forskare, inklusive ett team på JILA på CU Boulder campus, har använt labbgenererade magnetfält för att försöka fånga den övergången i aktion. Darling och andra forskare hade en annan idé:Varför inte prova samma sökning men i mycket större skala?

"Magnetärer är de mest magnetiska objekt vi känner till i universum, " sa han. "Det finns inget sätt att vi kan komma i närheten av den styrkan i labbet."

Smalnar in

För att använda det naturliga magnetfältet, Darling baserade sig på observationer av PSR J1745-2900 tagna av Karl G. Jansky Very Large Array, ett observatorium i New Mexico. Om magnetaren var, verkligen, omvandlar axioner till ljus, att metamorfos kan dyka upp i strålningen som kommer från den kollapsade stjärnan.

Ansträngningen är lite som att leta efter en enda nål i en riktigt, riktigt stor höstack. Darling sa att medan teoretiker har satt gränser för hur tunga axioner kan vara, dessa partiklar kan fortfarande ha ett brett spektrum av möjliga massor. Var och en av dessa massor, i tur och ordning, skulle producera ljus med en specifik våglängd, nästan som ett fingeravtryck som mörk materia lämnar efter sig.

Darling har ännu inte upptäckt någon av dessa distinkta våglängder i ljuset som kommer från magnetarn. Men han har kunnat använda observationerna för att undersöka den möjliga förekomsten av axioner över det bredaste intervallet av massor hittills - inte illa för hans första försök. Han tillade att sådana undersökningar kan komplettera det arbete som sker i jordbaserade experiment.

Konrad Lehnert höll med. Han är en del av ett experiment som leds av Yale University – kallat, inte överraskande, HAYSTAC – det vill säga att söka upp axioner med hjälp av magnetfält som skapas i laboratorier över hela landet.

Lehnert förklarade att astrofysiska studier som Darlings kunde fungera som en sorts scout i jakten på axioner – identifiera intressanta signaler i ljuset av magnetarer, som laboratorieforskare sedan kunde gräva i med mycket större precision.

"Dessa välkontrollerade experiment skulle kunna sortera ut vilka av de astrofysiska signalerna som kan ha ett ursprung från mörk materia, sa Lehnert, en kollega på JILA, ett gemensamt forskningsinstitut mellan CU Boulder och National Institute of Standards and Technology (NIST).

Darling planerar att fortsätta sitt eget sökande, vilket betyder att vi tittar ännu närmare på magnetaren i mitten av vår galax:"Vi måste fylla i dessa luckor och gå ännu djupare."