Volgens theoretische voorspellingen axion donkere materie zou kunnen worden omgezet in radiofrequente elektromagnetische straling wanneer het de sterke magnetische velden rond neutronensterren nadert. Deze radiosignatuur, die zou worden gekenmerkt door een ultrasmalle spectrale piek met een frequentie die afhangt van de massa van het axion-donkere-materiedeeltje in kwestie, kunnen worden gedetecteerd met behulp van zeer nauwkeurige astronomische instrumenten.

Onderzoekers van de Universiteit van Michigan, Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, en andere instituten over de hele wereld hebben onlangs een zoektocht uitgevoerd naar sporen van deze axion-conversie van donkere materie in gegevens die zijn verzameld door twee krachtige telescopen, de Groene Bank Telescoop (GBT) en de Effelsberg Telescoop. Hun studie was gebaseerd op hun eerdere onderzoeksinspanningen en theoretische voorspellingen, waarvan de laatste een artikel is dat in 2018 is gepubliceerd.

"Het idee voorgesteld in ons eerdere werk en uitgewerkt in vele latere publicaties uit de hele gemeenschap, is dat axion donkere materie kan worden omgezet in smalbandige radio-emissie in de sterke magnetische velden rond neutronensterren, Benjamin R. Safdi, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Echter, deze oudere werken zijn puur theoretisch en bevatten speculaties over hoe een signaal daadwerkelijk kan worden gevonden in de aanwezigheid van ruis in de echte wereld van telescoopgegevens. begrijpelijk, er is enige scepsis over de haalbaarheid van een dergelijke zoektocht."

Om hun zoektocht uit te voeren, Safdi en zijn collega's verzamelden eerst een grote hoeveelheid relevante gegevens die waren verzameld met radiotelescopen. Ze verzamelden deze gegevens met behulp van de GBT en de Effelsberg Radio Telescope, twee van de grootste radiotelescopen ter wereld in West Virginia (VS) en de Ahr Hills (Duitsland), respectievelijk.

De onderzoekers richtten deze twee telescopen op verschillende doelen in de Melkweg en andere nabijgelegen sterrenstelsels. Deze omvatten neutronensterren die vrij dicht bij de zon staan, evenals andere delen van de hemel waarvan bekend is dat ze talrijke neutronensterren herbergen (bijv. richting het centrum van onze melkweg). Vervolgens registreerden ze het door de telescoop gemeten vermogen over een reeks frequenties. Een signaal geassocieerd met de conversie van axion donkere materie zou overmatig vermogen veroorzaken in een enkel frequentiekanaal.

"Vervolgens ontwikkelden en implementeerden we nieuwe en geavanceerde technieken voor het nemen en analyseren van gegevens om een ​​vermeend axionsignaal te scheiden van verwarrende achtergronden, " zei Safdi. "Onze zoektocht lijkt veel op het zoeken naar een speld in een hooiberg, in de zin dat we stroom verzamelen via miljoenen verschillende 'frequentiekanalen', maar het axion zal naar verwachting alleen overtollig vermogen in een van deze kanalen bijdragen, en we weten momenteel niet welke."

Een belangrijke uitdaging bij het zoeken naar axion-conversie van donkere materie in radiotelescoopgegevens is dat men ook misleidende signalen kan tegenkomen. In feite, aardse achtergrond (bijv. signalen uitgezonden door radiocommunicatie, magnetrons en andere apparatuur op aarde) of signalen die door andere astrofysische verschijnselen worden uitgezonden, kunnen worden aangezien voor de signalen die verband houden met de omzetting van axion-donkere materie in magnetosferen van neutronensterren.

Om deze uitdaging aan te gaan en ervoor te zorgen dat ze andere signalen niet verwarren met axion-radiosignaturen voor de conversie van donkere materie, Safdi en zijn collega's gebruikten een reeks strategieën. Bijvoorbeeld, aangezien echte axion-conversiesignalen voor donkere materie alleen zouden worden gedetecteerd in het gebied dat de telescoop op een bepaald moment waarneemt, terwijl terrestrische signalen zowel in die regio als op aarde zouden worden waargenomen, ze schakelden de telescoop snel en continu van "on source" naar "off source"-locaties terwijl deze naar lege gebieden aan de hemel wees.

"We hebben ook geavanceerde technieken voor gegevensanalyse geïmplementeerd om de eigenschappen van de achtergrond uit de gegevens zelf te filteren en te 'leren', "Zei Safdi. "Door al deze technieken te combineren, we waren in staat om gegevens te verzamelen en te analyseren en te concluderen, definitief, dat er geen bewijs voor axions aanwezig is in de gegevens. Dit was een niet-triviale taak, maar dit betekent dat we nu een observatie- en analysekader hebben ontwikkeld en gedemonstreerd dat in toekomstige studies kan worden gebruikt. Dit, naar mij, is de belangrijkste betekenis van het papier."

Momenteel, axions behoren tot de meest veelbelovende kandidaten voor donkere materie, dus proberen talloze onderzoeksteams over de hele wereld ze op te sporen. Hoewel alle zoekopdrachten zijn mislukt, laboratorium axion donkere materie zoekopdrachten, zoals het Axion Dark Matter Experiment (ADMX) uitgevoerd aan de Universiteit van Washington en andere universiteiten wereldwijd, tot dusver de meest veelbelovende resultaten hebben bereikt.

De recente studie van Safdi en zijn collega's suggereert dat zoekopdrachten op basis van radiotelescoopgegevens even waardevol kunnen zijn bij het zoeken naar axion-donkere materie. interessant, de zoektocht die ze uitvoerden is gebaseerd op enkele van dezelfde fundamentele principes achter laboratoriumexperimenten die bekend staan ​​als 'haloscopen'.

Haloscopen zijn experimentele strategieën om axion-donkere materie om te zetten in waarneembare elektromagnetische signalen met behulp van grote magnetische laboratoriumvelden. Volgens theoretische voorspellingen in aanwezigheid van deze magnetische velden, axions moeten transformeren in elektromagnetische straling, waarbij de omvang van deze straling varieert afhankelijk van de grootte van deze velden (d.w.z. hoe groter een veld is, hoe groter de elektromagnetische handtekening van een axion).

"Geavanceerde laboratoriumexperimenten, zoals het ADMX-experiment, gebruik maken van magnetische velden in de buurt van ~10 Tesla (merk op dat de magnetische veldsterkten in een moderne MRI-machine ongeveer ~1 Tesla zijn, typisch), " legde Safdi uit. "Neutronensterren, anderzijds, kan magnetische velden bevatten zo groot als 100 miljard Tesla. Bovendien, de magnetische velden strekken zich uit over honderden kilometers rond de neutronensterren, terwijl een laboratoriumexperiment deze velden misschien maar over een fractie van een meter in stand houdt."

Eigenlijk, in hun zoektocht, de onderzoekers probeerden dezelfde signalen te detecteren die andere teams probeerden te detecteren in laboratoriumexperimenten. Echter, terwijl in laboratoriumexperimenten het axion-foton-conversieproces zeldzaam zou zijn en het resulterende signaal alleen zou worden gedetecteerd met behulp van geavanceerde en goed afgeschermde instrumenten, in de gebieden rond een neutronenster, hetzelfde signaal zou worden vergroot en gewelddadig. Tot dusver, de meeste natuurkundigen hebben ervoor gekozen om op zoek te gaan naar donkere materie op basis van haloscopen in het laboratorium, omdat elektromagnetische signalen die worden geproduceerd in gebieden die ver van de aarde liggen, nog steeds moeilijk waarneembaar zijn met bestaande astronomische instrumenten, als ze dimmen met de afstand.

"Ons werk laat zien dat radio-observaties van neutronensterren kunnen concurreren met laboratoriumonderzoeken en in de toekomst een belangrijke rol zullen spelen bij het ontdekken van axion-donkere materiedeeltjes, "Zei Safdi. "Ik denk dat dit een belangrijk inzicht is, omdat het betekent dat radiotelescopen deel moeten uitmaken van gesprekken over instrumentatie voor detectie van donkere materie door axion."

Het recente werk van Safdi en zijn collega's suggereert dat observaties van neutronensterren door een radiotelescoop een veelbelovende weg kunnen zijn naar het detecteren van donkere materie in het axion. Hoewel ze de signalen waarnaar ze zochten niet konden detecteren, hun zoektocht stelde de onderzoekers in staat beperkingen te stellen aan de toegestane parameterruimte van axion donkere materie, iets verder gaan dan de bestaande beperkingen.

Helaas, het niveau van gevoeligheid van de beperkingen die ze stellen is niet hoog genoeg om hun bevindingen de meest bekende kwantumchromodynamische (QCD) axionmodellen te laten beïnvloeden. Niettemin, deze recente studie dient als een proof of principle en zou de weg kunnen effenen voor gelijkaardige zoekopdrachten met verschillende data of instrumenten.

Het axion-massabereik van donkere materie dat de onderzoekers tot nu toe hebben onderzocht (d.w.z. ongeveer 10 micro-eV) is het bereik dat uiteindelijk de overvloed aan donkere materie in ons universum zou kunnen bevestigen. Bijvoorbeeld, in een andere studie, Safdi en zijn collega's Joshua W. Foster en Malte Buschmann schatten dat om de huidige voorspellingen over de prevalentie van donkere materie in het universum te bevestigen, de massa van axionen moet tussen 10 en 40 micro-eV zijn.

"Deze voorspelling doet aannames over hoe, precies, axion donkere materie wordt geproduceerd in het vroege heelal, dus het is mogelijk dat er meer gecompliceerde productiemechanismen in het spel zijn die het axion buiten dit venster zouden brengen, maar ik denk dat op dit moment het ~10-40 micro-eV axion-venster een van de best gemotiveerde massabereiken is voor het axion, "Zei Safdi. "Terwijl ons papier axions in dit massabereik onderzoekt, onze resultaten zijn niet gevoelig genoeg om het best gemotiveerde deel van de parameterruimte te onderzoeken, dat is de regio die het QCD-axion beschrijft."

Als ze werden gevalideerd in experimenten, QCD axion-theoretische modellen zouden enig licht kunnen werpen op een aantal andere natuurlijke fenomenen die verder reiken dan het zoeken naar donkere materie; bijvoorbeeld, verklaren waarom neutronen niet roteren in elektrische velden. Deze modellen, echter, voorspellen het optreden van koppelingen die een factor ~10-100 lager zijn dan waar de instrumenten die in de recente studie van Safdi en zijn collega's werden gebruikt gevoelig voor waren. In de toekomst, de onderzoekers zouden dus idealiter nauwkeuriger waarnemingen willen verzamelen die gevoelig zijn voor axionen in het massabereik dat wordt voorspeld door QCD-modellen.

"Nu we weten dat onze methode werkt, we gaan aanzienlijk meer gegevens verzamelen, met diepere waarnemingen over een breder frequentiebereik, " zei Safdi. "We plannen al toekomstige waarnemingen met Green Bank en Effelsberg die ons bereik naar hogere frequenties zullen uitbreiden. Om het QCD-axion definitief te onderzoeken, echter, we moeten misschien wachten op de aankomende Square Kilometre Array (SKA) telescooparray, wat transformerend zal zijn voor deze zoektocht omdat het ons orden van grootte meer gevoeligheid zal geven. We hebben goede hoop dat zoekopdrachten met SKA zullen leiden tot de ontdekking van het axion of, bij gebrek aan een ontdekking, spelen een belangrijke rol bij het verkleinen van het mogelijke massabereik voor axions."

© 2020 Wetenschap X Netwerk