Fizikusok találtak egy megoldást a sötét anyag érzékelésére

Kicsi a valószínűsége, hogy a FAST teleszkóp tányérjánál a sötét foton sötét anyag látható rádióhullámokká alakul, de lehet, hogy a teleszkóp csatornájánál érzékelhető.

A sötét anyagot, mely nem bocsát ki, nem nyel el vagy tükröz fényt, nem lehet közvetlenül érzékelni hagyományos teleszkópokkal, vagy képalkotó technikákkal. Az asztrofizikusok ezért évtizedek óta próbálnak alternatív módszereket megállapítani a sötét anyag érzékeléséhez.- írja a phys.org.

A Tsinghua Egyetem, a Bíbor-hegyi Csillagvizsgáló és a Pekingi Egyetem kutatói végrehajtottak egy tanulmányt annak a lehetőségnek a kutatására, hogy rádióteleszkóppal közvetlenül érzékeljenek sötét fotonokat, kiváló sötét anyag jelölteket. A Physical Review Letters magazinban publikált dolgozat informálhatja a jövőbeni sötét foton kereséseket. A sötét fotonok hipotetikus részecskék, amik erőt szállítanának a sötét anyagban, hasonlóan ahogy a fotonok elektromágnességet visznek a normál anyagban.

Haipeng An, a tanulmány egyik kutatója a phys.org-nak elmondta, hogy korábbi munkájuk a sötét fotonok fotonokká való konvertálását tanulmányozta a napkoronában. A folyamat során a sötét foton mezők szabad elektronokat gerjesztenek, ami normál fotonok kibocsátását idézi elő. Erre a munkára építve, Jia és An fontolóra vették hogy egy parabolaantennás teleszkópban szabad elektronokkal elektromágneses jeleket indukáljanak, és aztán a FAST teleszkóppal ilyen jelek keresését kutassák.

Hamarosan azután, hogy elkezdték kutatni a parabolaantennás teleszkóp alkalmazását a sötét anyaggal kapcsolatos elektromágneses jelek keresésére, An és kollégái rájöttek,

hogy a sötét anyag nem relativisztikus természete miatt az ilyen teleszkópokban lévő reflektornak szferikusnak kellene lennie és a jel vevőkészüléket ennek a gömbnek a közepén kellene elhelyezni.

A létező parabolaantennás teleszkópok azonban, mint pléldául a FAST Kínában, arra vannak tervezve, hogy távoli rádiójeleket figyeljenek meg, ennélfogva a tányér alakja parabolikus, a vevőkészülék pedig a fókuszpontba van helyezve. Ez azt jelentené, hogy a sötét anyag által indukált elektromágneses jelek nem koncentrálódnának a vevőkészülékeiknél.

Kicsi a valószínűsége, hogy a FAST teleszkóp tányérjánál a sötét foton sötét anyag látható rádióhullámokká alakul, de lehet, hogy a teleszkóp csatornájánál érzékelhető. Forrás: https://phys.org/news/2023-05-dark-photon-radio-telescopes.html

An azt mondja, e felismerés után, időlegesen lemondtak az ötletről. 2021 nyarán meghívták, hogy tartson előadást a sötét anyagról az UFITS nyári kozmológiai iskolájában, amit a FAST helyszínén tartottak, ahol tanulmányozta a FAST teleszkóp működésének részleteit. Megtudta, hogy a tányér fölött függő vevőkészülék körbe tud mozogni, oly módon, hogy a teleszkóp meg tud figyelni rádióhullámokat különböző irányokból. Akkor előállt azzal az ötlettel, hogy bár a sötét foton sötét anyag indukálta elektromágneses hullámok nem fókuszálódnak a vevőkészóléken, az elektromágneses mező képes eloszlást formálni a tányér tetején, és ez az eloszlás pontosan kalkulálható elméletileg.

An rákövetkező elméleti előrejelzései szerint, a rádióteleszkópokban lévő mozgatható vevőkészülék képes kellene legyen elektromágneses jelek gyűjtésére különböző helyszíneken. A vevőkészülék által gyűjtött jeleket aztán össze lehetne hasonlítani az elméletben előre jelzett eloszlásokkal, ami segítene javítani a teleszkópok érzékenységét a sötét foton indukálta jelekre.

A kollégáikkal akkor elkezdték kalkulálni a jeleket. Meglepetésükre azt találták, hogy még az eloszlás figyelembevétele nélkül, a rendkívüli érzékenységgel, még azzal a ténnyel is, hogy a sötét foton sötét anyag indukálta jel nem a vevőkészüléknél összpontosul,

a FAST érzékenysége már felülmúlta a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás korlátozását, ami azt jelenti, hogy a FAST teleszkóp képes felfedezni a sötét anyagot, ha az sötét fotonokból áll és a megfelelő tömegrégióban van.

Hogy tovább értékeljék javasolt módszerük életképességét a sötét fotonok keresésére, An és kollégái elemezék a Kínában, a Guizhou régió egy hegyi falujában lévő FAST teleszkóp által gyűjtött megfigyelési adatokat. Az adatokat Xiaoyuan Huang professzor szolgáltatta, a dolgozat egyik társszerzője.

Elemezték az adatokat és a legszigorúbb határt helyezték a modellre az 1-1.5 GHz frekvencia tartományban. Rájöttek, hogy a sötét foton sötét anyag képes elektromos jeleket indukálni a dipólus antennákon és hogy a nem relativisztikus természet miatt haszálhatnak interferometria techológiát az érzékenység javítására. Ezért kiszámolták a LOFAR teleszkóp és a jövőbeni SKA teleszkóp potenciális érzékenységét és azt találtuk, hogy mindkettőnek megvan a potenciálja, hogy sötét foton sötét anyagot fedezzen fel.

Összességében véve a csapat elemzései azt sugallják, hogy a rádióteleszkópok potenciálisan képesek lehetnek a sötét fotonok közvetlen érzékelésére.

Ennélfogva munkájuk kiszélesítheti a folyamatban lévő sötét fotonok keresésének horizontját, különösen az ultrafény sötét fotonokét.

Az 1960-as évek elején, míg kísérleteket végeztek a rádióasztronómiában, Penzias és Wilson egy váratlan alacsony szintű háttérzajba botlott. Később megerősítették, hogy ez a zaj a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, ami fontos bizonyítéka az univerzum korai forró tágulásának. Az ultrafény sötét fotonok fotonszerű elektromágneses kölcsönhatásokat mutatnak a fotonokkal való kinetikus keveredés révén. Mint diffúz sötét anyag jelölt az univerzumban, az ultrafény sötét fotonok a kozmikus mikrohullámú sugárzáshoz hasonló viselkedést mutatnak. Azt mondja An, ha gondosan figyelünk a modern rádióteleszkópokkal, lehet, hogy rejtélyes suttogásokat hallhatunkk a sötét világból.

Az ultrafény sötét fotonok hasonlóan viselkednek a sötét elektromágneses mezőkhöz konkrét frekvenciákkal, és ez a kutatócsapat megmutatta, hogy ez potenciálisan detektálható rádióteleszkópokkal, melyek általában kozmikus mikrohullámú háttársugárzás megfigyelésére használatosak. A jövőben, elméleti meggondolásaik informálhatják a nagy léptékű rádióteleszkóp megfigyelésekben bízó sötét foton sötét anyag keresést.

An azt mondja, munkájuk új alterületet nyithat a rádióasztronómiában. Most azt tervezik, hogy sötét foton sötét anyag jeleket keresnek a LOFAR és MeerKAT teleszkópoktól származó adatokban. Azt is tervezik, hogy ezt az ötletet alkalmazzák az axion sötét anyag, egy másik versenyképes ultrafény sötét anyag jelölt kereséséhez.

(Forrás: phys.org: https://phys.org/)