Enligt teoretiska förutsägelser, axion mörk materia skulle kunna omvandlas till radiofrekvent elektromagnetisk strålning när den närmar sig de starka magnetfält som omger neutronstjärnor. Denna radiosignatur, som skulle kännetecknas av en ultrasmal spektraltopp med en frekvens som beror på massan av den aktuella axionmörkmateriapartikeln, kunde detekteras med astronomiska instrument med hög precision.

Forskare vid University of Michigan, University of Illinois i Urbana-Champaign, och andra institut över hela världen har nyligen genomfört en sökning efter spår av denna omvandling av axion mörk materia i data som samlats in av två kraftfulla teleskop, Green Bank Telescope (GBT) och Effelsberg-teleskopet. Deras studie baserades på deras tidigare forskningsinsatser och teoretiska förutsägelser, den senaste är en tidning som publicerades 2018.

"Idén som föreslogs i vårt tidigare arbete och utvecklades i många efterföljande publikationer från hela samhället, är att axion mörk materia kan omvandlas till smalbandig radioemission i de starka magnetfälten som omger neutronstjärnor, " Benjamin R. Safdi, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Dock, dessa äldre verk är rent teoretiska och involverar spekulationer om hur en signal faktiskt kan hittas i närvaro av bullriga verkliga teleskopdata. Förstående, det finns en viss skepsis om genomförbarheten av en sådan sökning."

För att utföra sin sökning, Safdi och hans kollegor skaffade först en stor mängd relevant data som samlats in med hjälp av radioteleskop. De samlade in denna data med hjälp av GBT och Effelsbergs radioteleskop, två av de största radioteleskopen i världen i West Virginia (USA) och Ahr Hills (Tyskland), respektive.

Forskarna pekade dessa två teleskop mot en mängd olika mål i Vintergatan och andra närliggande galaxer. Dessa inkluderar neutronstjärnor ganska nära solen, såväl som andra delar av himlen som är kända för att vara värd för många neutronstjärnor (t.ex. mot mitten av vår galax). De registrerade sedan den effekt som mättes av teleskopet över ett frekvensområde. En signal associerad med omvandlingen av axionmörk materia skulle orsaka överskottseffekt i en enda frekvenskanal.

"Vi utvecklade och implementerade sedan nya och sofistikerade datatagnings- och analystekniker för att skilja en förmodad axionsignal från förvirrande bakgrunder, " sa Safdi. "Vår sökning är mycket som att leta efter en nål i en höstack, i den meningen att vi samlar kraft över miljontals olika "frekvenskanaler", men axionen förväntas bara bidra med överskottskraft i en av dessa kanaler, och vi vet för närvarande inte vilken."

En viktig utmaning förknippad med sökandet efter axionmörk materiakonverteringssignaturer i radioteleskopdata är att man också kan stöta på vilseledande signaler. Faktiskt, markbunden bakgrund (t.ex. signaler som sänds ut av radiokommunikation, mikrovågsugnar och annan utrustning på jorden) eller signaler som sänds ut av andra astrofysiska fenomen kan misstas för de signaler som är förknippade med omvandlingen av axion mörk materia i neutronstjärnans magnetosfärer.

För att tackla denna utmaning och se till att de inte förväxlade andra signaler med radiosignaturer för konvertering av axion mörk materia, Safdi och hans kollegor använde en rad strategier. Till exempel, eftersom omvandlingssignaler för verklig axion mörk materia endast skulle detekteras i den region som teleskopet observerar vid en given tidpunkt, medan markbundna signaler skulle observeras både i den regionen och på jorden, de växlade snabbt och kontinuerligt teleskopet från "on source" till "off source" lägen medan det pekade mot tomma områden på himlen.

"Vi implementerade också sofistikerade dataanalystekniker för att filtrera och 'lära' egenskaperna hos bakgrunden från själva data, "Sade Safdi. "Kombinerar alla dessa tekniker tillsammans, vi kunde samla in och analysera data och dra slutsatser, slutgiltigt, att inga bevis för axioner finns i datan. Detta var en icke-trivial uppgift, men det betyder att vi nu har utvecklat och demonstrerat ett observations- och analysramverk som kan användas i framtida studier. Detta, till mig, är den huvudsakliga betydelsen av tidningen."

För närvarande, axions är bland de mest lovande kandidaterna för mörk materia, Därför försöker otaliga forskarlag världen över att upptäcka dem. Även om alla sökningar har misslyckats, sökningar efter mörk materia i laboratorieaxion, såsom Axion Dark Matter Experiment (ADMX) som genomfördes vid University of Washington och andra universitet världen över, har hittills uppnått de mest lovande resultaten.

Den nyligen genomförda studien utförd av Safdi och hans kollegor tyder på att sökningar baserade på radioteleskopdata kan vara lika värdefulla i sökandet efter axion mörk materia. Intressant, sökningen de genomförde bygger på några av samma grundläggande principer bakom laboratorieexperiment som kallas "haloskop".

Haloskop är experimentella strategier för att omvandla axion mörk materia till observerbara elektromagnetiska signaler med hjälp av stora laboratoriemagnetiska fält. Enligt teoretiska förutsägelser, i närvaro av dessa magnetiska fält, axioner bör omvandlas till elektromagnetisk strålning, med omfattningen av denna strålning som varierar beroende på storleken på dessa fält (dvs. ju större ett fält är, desto större är en axions elektromagnetiska signatur).

"Specificerande laboratorieexperiment, som ADMX-experimentet, använda magnetfält som närmar sig ~10 Tesla (observera att magnetfältstyrkorna i en modern MRI-maskin är cirka ~1 Tesla, vanligtvis), " förklarade Safdi. "Neutronstjärnor, å andra sidan, kan vara värd för magnetfält så stora som en 100 miljarder Tesla. Dessutom, magnetfälten sträcker sig över hundratals kilometer runt neutronstjärnorna, medan ett laboratorieexperiment kanske bara upprätthåller dessa fält över en bråkdel av en meter."

Väsentligen, i deras sökande, forskarna försökte upptäcka samma signaler som andra lag försökte upptäcka i laboratorieexperiment. Dock, medan axion-fotonomvandlingsprocessen i laboratorieexperiment skulle vara sällsynt och den resulterande signalen endast skulle detekteras med hjälp av sofistikerade och välskärmade instrument, i områdena kring en neutronstjärna, samma signal skulle vara förstorad och våldsam. Än så länge, De flesta fysiker har valt att göra sökningar efter mörk materia baserat på haloskop i labbet eftersom elektromagnetiska signaler som produceras i områden som är långt från jorden fortfarande är svåra att observera med hjälp av befintliga astronomiska instrument, när de dämpar med avstånd.

"Vårt arbete visar att radioobservationer av neutronstjärnor kan konkurrera med laboratoriesökningar och kommer att spela en viktig roll i framtiden för att upptäcka axion mörk materia partiklar, ", sa Safdi. "Jag tror att detta är en viktig insikt eftersom det betyder att radioteleskop bör vara en del av samtal som diskuterar instrumentering för att detektera axion mörk materia."

Det senaste arbetet av Safdi och hans kollegor tyder på att radioteleskopobservationer av neutronstjärnor kan vara en lovande väg mot att upptäcka axion mörk materia. Även om de inte kunde upptäcka signalerna de letade efter, deras sökning gjorde det möjligt för forskarna att sätta begränsningar på det tillåtna parameterutrymmet för axion mörk materia, nå något över befintliga begränsningar.

Tyvärr, känslighetsnivån för de restriktioner de sätter är inte tillräckligt hög för att deras fynd ska påverka de mest kända kvantkromodynamiska (QCD) axionsmodellerna. Ändå, denna färska studie fungerar som ett principbevis och kan bana väg för liknande sökningar med hjälp av olika data eller instrument.

Massintervallet för axion mörk materia som forskarna hittills undersökt (dvs. cirka 10 mikro-eV) är intervallet som i slutändan skulle kunna bekräfta överflöd av mörk materia i vårt universum. Till exempel, i en annan studie, Safdi och hans kollegor Joshua W. Foster och Malte Buschmann uppskattade att för att bekräfta nuvarande förutsägelser om förekomsten av mörk materia i universum, massan av axioner bör vara mellan 10 och 40 mikro-eV.

"Denna förutsägelse gör antaganden om hur, exakt, axion mörk materia produceras i det tidiga universum, så det är möjligt att mer komplicerade produktionsmekanismer är på gång som skulle föra axionen utanför detta fönster, men jag tror att för närvarande är ~10—40 mikro-eV axionsfönstret ett av de bäst motiverade massintervallen för axionen, ", sa Safdi. "Medan vårt papper sonderar axioner i detta massintervall, våra resultat är inte tillräckligt känsliga för att undersöka den bäst motiverade delen av parameterutrymmet, som är regionen som beskriver QCD-axionen."

Om de validerades i experiment, QCD axion teoretiska modeller skulle kunna kasta lite ljus över ett antal andra naturfenomen som sträcker sig bortom sökandet efter mörk materia; till exempel, förklara varför neutroner inte roterar i elektriska fält. Dessa modeller, dock, förutsäga förekomsten av kopplingar som är en faktor ~10-100 lägre än vad instrumenten som användes i den senaste studien av Safdi och hans kollegor var känsliga för. I framtiden, forskarna skulle därför helst vilja samla in mer exakta observationer som är känsliga för axioner i det massintervall som förutsägs av QCD-modeller.

"Nu när vi vet att vår metod fungerar, vi kommer att skaffa betydligt mer data, med djupare observationer över ett bredare spektrum av frekvenser, ", sa Safdi. "Vi planerar redan framtida observationer med Green Bank och Effelsberg som kommer att utöka vår räckvidd till högre frekvenser. För att definitivt undersöka QCD-axionen, dock, vi kan behöva vänta på den kommande Square Kilometer Array (SKA) teleskopuppsättningen, vilket kommer att vara transformerande för detta sökande eftersom det kommer att ge oss storleksordningar mer känslighet. Vi hoppas att sökningar med SKA kommer att leda till upptäckten av axionen eller, i avsaknad av en upptäckt, spelar en viktig roll för att begränsa det möjliga massintervallet för axioner."

© 2020 Science X Network