Astrofysiker sonderer kosmisk detektor for mørkt stof

En astrofysiker fra University of Colorado Boulder søger efter lyset, der kommer fra en fjern, og ekstremt kraftfuldt himmellegeme, for hvad der kan være det mest undvigende stof i universet:mørkt stof.

I to nyere undersøgelser, Jeremy Darling, professor ved Institut for Astrofysiske og Planetariske Videnskaber, har taget et dybt kig på PSR J1745-2900. Denne krop er en magnetar, eller en type kollapset stjerne, der genererer et utroligt stærkt magnetfelt.

"Det er den bedste naturlige mørkestofdetektor, vi kender til, " sagde skat, også af Center for Astrophysics and Space Astronomy (CASA) på CU Boulder.

Han forklarede, at mørkt stof er en slags kosmisk lim - en endnu uidentificeret partikel, der udgør omkring 27% af universets masse og hjælper med at binde sammen galakser som vores egen Mælkevej. Til dato, videnskabsmænd har for det meste ledet jagten på dette usynlige stof ved hjælp af laboratorieudstyr.

Darling har taget en anden tilgang i sin seneste forskning:Tegning på teleskopdata, han kigger på PSR J1745-2900 for at se, om han kan detektere de svage signaler fra en kandidat for mørkt stof – en partikel kaldet axion – der omdannes til lys. Indtil nu, videnskabsmandens søgning er blevet tom. Men hans resultater kan hjælpe fysikere, der arbejder i laboratorier rundt om i verden, med at indsnævre deres egen jagt på aksionen.

De nye undersøgelser er også en påmindelse om, at forskere stadig kan se mod himlen for at løse nogle af de sværeste spørgsmål inden for videnskab, sagde Darling. Han offentliggjorde sin første runde resultater i denne måned i Astrofysiske tidsskriftsbreve og Fysiske anmeldelsesbreve .

"I astrofysik, vi finder alle disse interessante problemer som mørkt stof og mørk energi, så træder vi tilbage og lader fysikere løse dem, sagde han. Det er en skam.

Naturligt eksperiment

Darling ønsker at ændre det - i dette tilfælde, med lidt hjælp fra PSR J1745-2900.

Denne magnetar kredser om det supermassive sorte hul i centrum af Mælkevejsgalaksen fra en afstand på mindre end et lysår væk. Og det er en naturkraft:PSR J1745-2900 genererer et magnetfelt, der er omkring en milliard gange kraftigere end den kraftigste magnet på Jorden.

"Magnetærer har alt det magnetiske felt, som en stjerne har, men det er blevet knust ned i et område på omkring 20 kilometer på tværs, " sagde Darling.

Og det er her, Darling er gået og fisket efter mørkt stof.

Han forklarede, at forskerne endnu ikke har fundet en enkelt aksion, en teoretisk partikel først foreslået i 1970'erne. Fysikere, imidlertid, forudsige, at disse flygtige stofstykker kan være blevet skabt i monumentale antal i løbet af universets tidlige liv - og i store nok mængder til at forklare kosmos ekstra masse fra mørkt stof. Ifølge teorien, aksioner er milliarder eller endda billioner af gange lettere end elektroner og vil kun sjældent interagere med deres omgivelser.

Det gør dem næsten umulige at observere, med en stor undtagelse:Hvis en aksion passerer gennem et stærkt magnetfelt, det kan forvandle sig til lys, som forskere kunne, teoretisk set, opdage.

Videnskabsmænd, inklusive et hold på JILA på CU Boulder campus, har brugt laboratoriegenererede magnetfelter til at forsøge at fange den overgang i aktion. Darling og andre videnskabsmænd havde en anden idé:Hvorfor ikke prøve den samme søgning, men i meget større skala?

"Magnetarer er de mest magnetiske objekter, vi kender til i universet, " sagde han. "Der er ingen måde, vi kunne komme tæt på den styrke i laboratoriet."

Snævres ind

For at gøre brug af det naturlige magnetfelt, Darling trak på observationer af PSR J1745-2900 taget af Karl G. Jansky Very Large Array, et observatorium i New Mexico. Hvis magnetaren var, Ja, omdanne aksioner til lys, at metamorfose kan vise sig i strålingen, der kommer ud fra den kollapsede stjerne.

Indsatsen er lidt som at lede efter en enkelt nål i en virkelig, rigtig stor høstak. Darling sagde, at mens teoretikere har sat grænser for, hvor tunge aksioner kan være, disse partikler kunne stadig have en bred vifte af mulige masser. Hver af disse masser, på tur, ville producere lys med en bestemt bølgelængde, næsten som et fingeraftryk efterladt af mørkt stof.

Darling har endnu ikke set nogen af ​​de distinkte bølgelængder i lyset, der kommer fra magnetaren. Men han har været i stand til at bruge observationerne til at undersøge den mulige eksistens af aksioner på tværs af det bredeste udvalg af masser endnu - ikke dårligt for hans første forsøg. Han tilføjede, at sådanne undersøgelser kan supplere det arbejde, der foregår i jordbaserede eksperimenter.

Konrad Lehnert var enig. Han er en del af et eksperiment ledet af Yale University – kaldet, ikke overraskende, HAYSTAC - der opsøger aksioner ved hjælp af magnetiske felter skabt i laboratorier over hele landet.

Lehnert forklarede, at astrofysiske undersøgelser som Darlings kunne fungere som en slags spejder i jagten på aksioner - identificere interessante signaler i lyset af magnetarer, som laboratorieforskere så kunne grave i med meget større præcision.

"Disse velkontrollerede eksperimenter ville være i stand til at sortere ud, hvilke af de astrofysiske signaler, der kunne have en oprindelse af mørkt stof, sagde Lehnert, en stipendiat ved JILA, et fælles forskningsinstitut mellem CU Boulder og National Institute of Standards and Technology (NIST).

Darling planlægger at fortsætte sin egen søgen, hvilket betyder, at vi ser endnu tættere på magnetaren i midten af ​​vores galakse:"Vi skal udfylde disse huller og gå endnu dybere."