Søger efter axion mørkt stof konverteringssignaler i magnetfelterne omkring neutronstjerner

Ifølge teoretiske forudsigelser, axion mørkt stof kunne omdannes til radiofrekvent elektromagnetisk stråling, når det nærmer sig de stærke magnetiske felter, der omgiver neutronstjerner. Denne radiosignatur, som ville være karakteriseret ved en ultrasmal spektral top med en frekvens, der afhænger af massen af ​​den pågældende axion-mørkestofpartikel, kunne detekteres ved hjælp af astronomiske instrumenter med høj præcision.

Forskere ved University of Michigan, University of Illinois i Urbana-Champaign, og andre institutter verden over har for nylig udført en søgning efter spor af denne konvertering af axion mørkt stof i data indsamlet af to kraftige teleskoper, Green Bank Telescope (GBT) og Effelsberg Telescope. Deres undersøgelse var baseret på deres tidligere forskningsindsats og teoretiske forudsigelser, det seneste er et papir udgivet i 2018.

"Ideen foreslået i vores tidligere arbejde og udmøntet i mange efterfølgende publikationer fra hele samfundet, er, at axion mørkt stof kan konvertere til smalbåndet radioemission i de stærke magnetfelter, der omgiver neutronstjerner, "Benjamin R. Safdi, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Imidlertid, disse ældre værker er rent teoretiske og involverer spekulationer om, hvordan et signal faktisk kan findes i nærvær af støjende teleskopdata fra den virkelige verden. Forståeligt nok, der er en vis skepsis over for gennemførligheden af ​​en sådan søgning."

For at udføre deres søgning, Safdi og hans kolleger erhvervede først en stor mængde relevante data indsamlet ved hjælp af radioteleskoper. De indsamlede disse data ved hjælp af GBT og Effelsberg Radio Telescope, to af de største radioteleskoper i verden beliggende i West Virginia (USA) og Ahr Hills (Tyskland), henholdsvis.

Forskerne pegede disse to teleskoper mod en række forskellige mål i Mælkevejen og andre nærliggende galakser. Disse omfattede neutronstjerner temmelig tæt på solen, såvel som andre områder af himlen, der er kendt for at være vært for adskillige neutronstjerner (f. mod midten af ​​vores galakse). De registrerede derefter effekten målt af teleskopet over en række frekvenser. Et signal forbundet med omdannelsen af ​​axion mørkt stof ville forårsage overskydende effekt i en enkelt frekvenskanal.

"Derefter udviklede og implementerede vi nye og sofistikerede dataoptagelses- og analyseteknikker for at adskille et formodet axion-signal fra forvirrende baggrunde, " sagde Safdi. "Vores søgen er meget som at lede efter en nål i en høstak, i den forstand, at vi samler strøm på tværs af millioner af forskellige 'frekvenskanaler', men aksionen forventes kun at bidrage med overskydende kraft i en af ​​disse kanaler, og vi ved ikke i øjeblikket hvilken."

En vigtig udfordring forbundet med søgningen efter axion mørkt stof konverteringssignaturer i radioteleskopdata er, at man også kan støde på vildledende signaler. Faktisk, terrestrisk baggrund (f.eks. signaler udsendt af radiokommunikation, mikrobølgeovne og andet udstyr på jorden) eller signaler udsendt af andre astrofysiske fænomener kan forveksles med de signaler, der er forbundet med omdannelsen af ​​axion mørkt stof i neutronstjernemagnetosfærer.

For at tackle denne udfordring og sikre, at de ikke forvekslede andre signaler med radiosignaturer for konvertering af axion mørkt stof, Safdi og hans kolleger brugte en række strategier. For eksempel, da ægte axion mørkt stof konverteringssignaler kun ville blive detekteret i det område, som teleskopet observerer på et givet tidspunkt, mens jordbaserede signaler ville blive observeret både i den region og på Jorden, de skiftede hurtigt og kontinuerligt teleskopet fra "on source" til "off source", mens det pegede mod tomme områder på himlen.

"Vi implementerede også sofistikerede dataanalyseteknikker for at filtrere og 'lære' egenskaberne for baggrunden fra selve dataene, " sagde Safdi. "Ved at kombinere alle disse teknikker, vi var i stand til at indsamle og analysere data og konkludere, endegyldigt, at der ikke er bevis for axioner i dataene. Dette var en ikke-triviel opgave, men det betyder, at vi nu har udviklet og demonstreret en observations- og analyseramme, som kan bruges i fremtidige studier. Det her, til mig, er papirets hovedbetydning."

I øjeblikket, axions er blandt de mest lovende mørkt stof-kandidater, således forsøger utallige forskerhold verden over at opdage dem. Mens alle søgninger har været mislykkede, søgninger efter mørkt stof i laboratoriet, såsom Axion Dark Matter Experiment (ADMX) udført på University of Washington og andre universiteter verden over, har indtil videre opnået de mest lovende resultater.

Den nylige undersøgelse udført af Safdi og hans kolleger tyder på, at søgninger baseret på radioteleskopdata kan være lige så værdifulde i søgningen efter axion mørkt stof. Interessant nok, søgningen, de udførte, er baseret på nogle af de samme grundlæggende principper bag laboratorieforsøg, kendt som 'haloskoper'.

Haloskoper er eksperimentelle strategier til at omdanne axion mørkt stof til observerbare elektromagnetiske signaler ved hjælp af store laboratoriemagnetiske felter. Ifølge teoretiske forudsigelser, i nærvær af disse magnetiske felter, aksioner skal omdannes til elektromagnetisk stråling, hvor omfanget af denne stråling varierer i henhold til størrelsen af ​​disse felter (dvs. jo større et felt er, jo større en aksions elektromagnetiske signatur).

"banebrydende laboratorieeksperimenter, såsom ADMX-eksperimentet, gør brug af magnetfelter, der nærmer sig ~10 Tesla (bemærk, at magnetfeltstyrkerne i en moderne MR-maskine er omkring ~1 Tesla, typisk), " forklarede Safdi. "Neutronstjerner, på den anden side, kan være vært for magnetiske felter så store som en 100 milliarder Tesla. I øvrigt, magnetfelterne strækker sig over hundreder af kilometer omkring neutronstjernerne, mens et laboratorieeksperiment måske kun opretholder disse felter over en brøkdel af en meter."

I det væsentlige, i deres søgen, forskerne forsøgte at opdage de samme signaler, som andre hold forsøgte at opdage i laboratorieforsøg. Imidlertid, mens aksion-foton-konverteringsprocessen i laboratorieforsøg ville være sjælden, og det resulterende signal kun ville blive detekteret ved hjælp af sofistikerede og velafskærmede instrumenter, i områderne omkring en neutronstjerne, det samme signal ville blive forstørret og voldsomt. Indtil nu, De fleste fysikere har valgt at udføre søgninger efter mørkt stof baseret på haloskoper i laboratoriet, fordi elektromagnetiske signaler produceret i områder, der er langt fra Jorden, stadig er vanskelige at observere ved hjælp af eksisterende astronomiske instrumenter, da de dæmpes af afstand.

"Vores arbejde viser, at radioobservationer af neutronstjerner kan konkurrere med laboratoriesøgninger og vil spille en vigtig rolle i fremtiden med hensyn til at opdage axion mørkt stof partikler, " sagde Safdi. "Jeg tror, ​​at dette er en vigtig indsigt, fordi det betyder, at radioteleskoper bør være en del af samtaler, der diskuterer instrumentering til påvisning af axion mørkt stof."

Det nylige arbejde af Safdi og hans kolleger tyder på, at radioteleskopobservationer af neutronstjerner kunne være en lovende vej mod at detektere axion mørkt stof. Mens de ikke var i stand til at opdage de signaler, de søgte efter, deres søgning gjorde det muligt for forskerne at sætte begrænsninger på det tilladte parameterrum for axion mørkt stof, rækker lidt ud over eksisterende begrænsninger.

Desværre, niveauet af følsomhed af de begrænsninger, de sætter, er ikke højt nok til, at deres resultater kan påvirke de mest berømte kvantekromodynamiske (QCD) aksionsmodeller. Ikke desto mindre, denne nylige undersøgelse tjener som et bevis på princippet og kan bane vejen for lignende søgninger ved hjælp af forskellige data eller instrumenter.

Det axion mørke stof masseområde, som forskerne hidtil har undersøgt (dvs. cirka 10 mikro-eV) er det område, der i sidste ende kunne bekræfte overfloden af ​​mørkt stof i vores univers. For eksempel, i en anden undersøgelse, Safdi og hans kolleger Joshua W. Foster og Malte Buschmann vurderede, at for at bekræfte nuværende forudsigelser om udbredelsen af ​​mørkt stof i universet, massen af ​​aksioner skal være mellem 10 og 40 mikro-eV.

"Denne forudsigelse giver antagelser om, hvordan Nemlig, axion mørkt stof produceres i det tidlige univers, så det er muligt, at mere komplicerede produktionsmekanismer er på spil, som ville bringe aksionen uden for dette vindue, men jeg tror, ​​at på nuværende tidspunkt er ~10-40 mikro-eV aksionsvinduet et af de bedst motiverede masseområder for aksionen, " sagde Safdi. "Mens vores papir sonderer aksioner i dette masseområde, vores resultater er ikke helt følsomme nok til at undersøge den bedst motiverede del af parameterrummet, som er den region, der beskriver QCD-aksionen."

Hvis de blev valideret i eksperimenter, QCD axion-teoretiske modeller kunne kaste lys over en række andre naturfænomener, der rækker ud over søgen efter mørkt stof; for eksempel, forklare hvorfor neutroner ikke roterer i elektriske felter. Disse modeller, imidlertid, forudsige forekomsten af ​​koblinger, der er en faktor på ~10-100 lavere end hvad instrumenterne brugt i den nylige undersøgelse af Safdi og hans kolleger var følsomme over for. I fremtiden, forskerne ville derfor ideelt set gerne indsamle mere præcise observationer, der er følsomme over for aksioner i det masseområde, som QCD-modeller forudsiger.

"Nu hvor vi ved, at vores metode virker, vi kommer til at indsamle betydeligt flere data, med dybere observationer over en bredere række af frekvenser, " sagde Safdi. "Vi planlægger allerede fremtidige observationer med Green Bank og Effelsberg, som vil udvide vores rækkevidde til højere frekvenser. For endeligt at undersøge QCD-aksionen, imidlertid, vi skal muligvis vente på det kommende Square Kilometer Array (SKA) teleskoparray, hvilket vil være transformerende for denne søgning, fordi det vil give os størrelsesordener mere følsomhed. Vi håber, at søgninger med SKA vil føre til opdagelsen af ​​aksionen eller, i mangel af en opdagelse, spiller en vigtig rolle i at indsnævre det mulige masseområde for aksioner."

© 2020 Science X Network