研究发现,中子星周围1千亿特斯拉的磁场让暗物质原形毕露

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凭据表面预测,“轴子暗物质”在靠近中子星周围的强磁场时,可能会转化为射频电磁辐射。这种无线电灯号,其特性将是一个很尖的光谱峰,其频率取决于所讨论的轴子暗物质粒子的质量,可以用高精度天文仪器检验到。

密歇根大学、伊利诺伊大学香槟分校和世界各地其余研究所的研究人员最近在绿河岸望远镜(GBT)和埃费尔斯伯格望远镜网络的数据中,对这种轴离子暗物质转换的痕迹进行了搜索。他们的研究是基于之前的研究成果和表面预测,最新的一篇论文刊登于2018年。

研究发现,中子星周围1千亿特斯拉的磁场让暗物质原形毕露-第1张图片-IT新视野

”我们在早期的工作中提出了这个年头,即轴子暗物质可能在中子星周围的强磁场中转化为窄带无线电。“研究人员萨夫迪说。然而,这些较早的工作都是纯表面的,而且望远镜数据中夹杂着许多搅扰杂音,可以明白的是,人们对这种搜索的可行性存在少许怀疑。

为了进行研究,萨夫迪和他的同事们开始用射电望远镜网络了大量相关数据。他们使用绿河岸望远镜和埃费尔斯伯格射电望远镜网络这些数据,这是世界上最大的两个射电望远镜,分别位于西弗吉尼亚(美国)和德国。

研究人员将这两台望远镜对准了星河系和其余左近星系中的种种目标。这些区域包含相当靠近太阳的中子星,以及天际中已知拥有大量中子星的其余区域(例如,朝向星河系中心的区域)。然后,他们记录了该望远镜在一定频率局限内测量的功率。与轴子暗物质转换相关的灯号会导致单频通道的功率过剩。

研究人员还开发并实施了新颖而复杂的数据采集和剖析技术,以便从混同的背景中分离出假设的轴子灯号。他们的搜寻工作就像海中捞月,通过数百万个不同的‘频率频道’网络能量,但这个轴星只会在其中一个频道表现出多余的能量,目前还不知道是哪一个频道。

研究发现,中子星周围1千亿特斯拉的磁场让暗物质原形毕露-第2张图片-IT新视野

在射电望远镜数据中寻找轴子暗物质转换特性的一个环节挑战是误导灯号。究竟上,地球的背景(例如无线电通信、微波炉和地球上其余设备发出的灯号)或其余天体物理征象发出的灯号可能会被误认为中子星磁珠中轴子暗物质转换的灯号。

为了应对这一挑战,并确保他们不会将其余灯号误认为是轴子暗物质转换无线电灯号,萨夫迪和他的同事们接纳了一系列计谋。例如,真正的轴子暗物质转换灯号只能在特定时间在望远镜所观测的区域被探测到。

研究人员还接纳了复杂的数据剖析技术,从数据本身中过滤和‘学习’背景的属性。将全部这些技术结合在一起,能够网络和剖析数据,并得出结论,没有证据评释轴子存在于数据中。但这意味着我们现在已经开发并演示了一个可以在未来研究中使用的调查和剖析框架,这即是这篇论文的要紧意义。

目前,轴子是最有有望的暗物质候选者之一,所以世界各地无数的研究团队都在尝试探测它们。如华盛顿大学和世界其余大学进行的轴子暗物质试验(ADMX),迄今为止已经获得了最有有望的结果。

基于射电望远镜数据的搜索对于寻找轴子暗物质同样有代价。有趣的是,他们所进行的搜寻是基于少许与试验室试验相像的根基道理,这些试验被称为“光度计”。

光度计是一种行使试验室大磁场将轴子暗物质转换为可观测电磁灯号的试验计谋。凭据表面预测,在这些磁场存在的情况下,轴子会转化为电磁辐射,而电磁辐射的程度会跟着磁场的大小而变更(即磁场越大,轴子的电磁灯号越大)。

先进的试验室试验(好比ADMX试验)行使靠近10特斯拉的磁场(现代MRI机械的磁场强度通常大概为1特斯拉)。另一方面,中子星可以拥有相当于1000亿特斯拉的磁场。别的,磁场在中子星周围延伸了数百公里,而试验室试验可能只能保持一米多的局限。

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从本质上说,在他们的研究中,研究人员试图检验到其余团队在试验室试验中试图检验到的灯号。然而,固然在试验室试验中,这种“轴子-光子”转换过程是罕见的,而且产生的灯号只能通过精密的和屏蔽良好的仪器才气探测到,但在中子星周围的区域,同样的灯号会被放大。到目前为止,大多数物理学家选定在试验室的测晕仪上进行暗物质搜索,因为在远离地球的区域产生的电磁灯号跟着距离的增加而变弱,使用现有的天文仪器仍难以观测到。

对中子星的射电观测可以与试验室的搜索相匹敌,而且将在未来发现轴子暗物质粒子方面发挥重要作用。我认为这是一个重要的发现,因为这意味着射电望远镜应该成为探测轴子暗物质的仪器讨论的一片面。

可怜的是,他们设定的大概束的敏感性程度还不敷高,不足以影响最闻名的量子色动力学(QCD)轴子模型。尽管云云,这项最近的研究可以作为道理的证实,并为使用不同数据进行相似的搜索摊平道路。

到目前为止,研究人员探测到的轴子暗物质质量局限是最终可以确认我们宇宙中暗物质的品貌的局限。例如,在另一项研究中评释,为了证实宇宙中暗物质的普遍存在,轴子的质量应该在10到40微电子伏特之间。

若它们在试验中被证实,QCD轴子表面模型将会为少许其余的天然征象提供少许线索,这些征象超出了对暗物质的研究。例如,注释为何中子在电场中不旋转。在未来,研究人员有望能在量子力学模型预测的质量局限内网络到对轴子敏感的更精确的观测结果。

萨夫迪说:“现在我们知道我们的技巧是有效的,我们将获得更多的数据,在更广的频率局限内进行更深入的调查。”然而,要确定地探测QCD轴离子,我们可能需求等待即将到来的SKA望远镜阵列,因为它将给我们带来数目级的更高灵敏度。我们有望通过SKA的研究能够发现轴子,大概在没有发现的情况下,在收缩轴子可能的质量局限方面发挥重要作用。

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