搜索中子星周围的轴突暗物质转换信号

根据理论预测，当轴突暗物质接近围绕中子星的强磁场时，它可以转换为射频电磁辐射。可以使用高精度天文仪器检测这种无线电信号，其特征在于取决于所讨论的轴突暗物质粒子质量的频率处的超窄谱峰。密歇根大学，伊利诺伊大学厄本那-香槟分校和全球其他研究所的研究人员最近在由两台功能强大的望远镜，格林银行望远镜（GBT）和埃菲尔斯堡望远镜收集的数据中寻找这种轴突转换的痕迹。他们的研究基于他们以前的研究工作和理论预测，最新的是2018年发表的论文。

研究人员之一本杰明·萨夫迪（Benjamin R. Safdi）表示：“我们早期工作中提出的想法，并在随后的整个社区的许多后续出版物中得到充实，它是轴突暗物质可能转换成周围中子星的窄带无线电发射。”告诉Phys.org进行了这项研究。 “但是，这些较老的作品纯粹是理论上的，涉及对在嘈杂的现实世界望远镜数据存在下如何实际发现信号的猜测。可以理解的是，人们对这种搜索的可行性持怀疑态度。”

为了进行搜索，Safdi和他的同事首先获取了使用射电望远镜收集的大量相关数据。他们分别使用GBT和Effelsberg射电望远镜收集了这些数据，Effelsberg射电望远镜分别是世界上最大的两个射电望远镜，分别位于美国西弗吉尼亚州和德国的Ahr Hills。

研究人员将这两个望远镜指向银河系和附近其他星系中的各种目标。其中包括距离太阳很近的中子星，以及天空中已知拥有众多中子星的其他区域（例如，朝向银河系中心）。然后，他们记录了望远镜在一定频率范围内测得的功率。与轴突暗物质的转换相关的信号会在单个频道中导致多余的功率。

萨夫迪说：“然后，我们开发并实施了新颖，先进的数据采集和分析技术，以将假定的轴突信号与混杂的背景分开。” “我们的搜索非常类似于在大海捞针中寻找针头，从某种意义上说，我们可以在数百万个不同的“频率通道”中收集功率，但是仅希望轴在这些通道之一中贡献多余的功率，而我们确实目前不知道是哪一个。”

与在射电望远镜数据中寻找轴突暗物质转换特征相关的一个关键挑战是，人们可能还会遇到误导性信号。实际上，地面背景（例如，无线电通信，微波炉和地球上其他设备发出的信号）或其他天文学现象发出的信号可能会误认为与中子星磁层中轴突暗物质转换相关的信号。

为了应对这一挑战，并确保他们不会将其他信号误认为是轴突暗物质转换无线电信号，Safdi及其同事使用了一系列策略。例如，由于仅在给定时间在望远镜正在观察的区域中检测到实际的轴突暗物质转换信号，而在该区域和地球上都将观察到地面信号，因此它们会迅速且连续地将望远镜从“指向天空中的空白区域时，“从源上”到“源外”位置。

萨夫迪说：“我们还实施了复杂的数据分析技术，以从数据本身中过滤和学习背景的特性。” “将所有这些技术结合在一起，我们能够收集和分析数据，并得出结论，数据中没有轴力的证据。这是一项艰巨的任务，但这意味着我们现在已经开发并证明了一个可以用于未来研究的观察和分析框架。对我来说，这是本文的主要意义。”

当前，轴子是最有前途的暗物质候选者之一，因此，全世界无数的研究团队正在尝试检测它们。尽管所有搜索均未成功，但迄今为止，实验室轴突暗物质搜索（例如在华盛顿大学和全球其他大学进行的轴突暗物质实验（ADMX））取得了最有希望的结果。

Safdi和他的同事最近进行的研究表明，基于射电望远镜数据的搜索在搜索轴突暗物质方面可能同样有价值。有趣的是，他们进行的搜索基于实验室实验中被称为“星座”的一些基本原理。

检耳镜是利用大型实验室磁场将轴突暗物质转换为可观察到的电磁信号的实验策略。根据理论预测，在存在这些磁场的情况下，轴应转化为，其辐射程度会根据这些场的大小而变化（即，磁场越大，轴的电磁签名就越大）。

“最先进的实验室实验，例如ADMX实验，利用了接近10特斯拉的磁场（请注意，现代MRI机器中的磁场强度通常约为1特斯拉），” Safdi解释说。 “另一方面，中子星可以容纳1000亿特斯拉的磁场。此外，磁场围绕中子星延伸了数百公里，而实验室实验可能只能将这些磁场保持在零点几秒的范围内。一米。”

本质上，研究人员在搜索中试图发现与其他团队在实验室实验中发现的相同信号。但是，尽管在实验室实验中轴突-光子转换过程很少见，并且只能使用精密且屏蔽良好的仪器检测到所产生的信号，但在中子星周围的区域中，相同的信号会被放大且剧烈。到目前为止，大多数物理学家已选择在实验室中基于haloscopes进行暗物质搜索，因为在远离地球的区域中产生的电磁信号仍然难以使用现有的天文仪器观察到，因为它们随着距离而变暗。

萨夫迪说：“我们的工作表明，中子星的无线电观测可以与实验室搜索竞争，并且在未来发现轴突暗物质粒子方面将发挥重要作用。” “我认为这是一个重要的见解，因为这意味着射电望远镜应该成为讨论轴突暗物质检测仪器的对话的一部分。”

萨夫迪和他的同事们最近的工作表明，用射电望远镜观察可能是探测轴突暗物质的有前途的途径。当他们无法检测到他们正在寻找的信号时，他们的搜索使研究人员可以对轴突暗物质的允许参数空间设置限制，从而略微超出现有限制。

不幸的是，他们设置的约束的敏感性水平不够高，不足以使其发现影响最著名的量子色动力学（QCD）轴突模型。但是，这项最新研究可以作为原理性证明，并且可以为使用不同数据或工具进行类似搜索铺平道路。

研究人员迄今探测到的轴突暗物质质量范围（即大约10微电子伏特）是可以最终确认我们宇宙中暗物质丰度的范围。例如，在另一项研究中，Safdi和他的同事Joshua W. Foster和Malte Buschmann估计，为了确认有关宇宙中暗物质流行率的最新预测，轴的质量应在10到40 micro-eV之间。

“这一预测确实对早期宇宙中轴突暗物质的产生方式做出了假设，因此可能正在发挥更为复杂的生产机制，这将使轴突超出此范围，但我认为目前大约10至40 micro-eV的轴切窗口是轴切的最佳动力范围之一。” Safdi说。 “尽管我们的论文在此质量范围内探测轴，但是我们的结果不够灵敏，无法探测参数空间中最有动力的部分，该部分描述了QCD轴。”

如果在实验中对其进行了验证，则QCD轴突理论模型可能会为探寻暗物质之外的许多其他自然现象提供一些启示。例如，解释为什么中子在电场中不旋转。但是，这些模型预测的耦合发生率比Safdi及其同事最近的研究中所使用的敏感度低约10-100倍。因此，在将来，研究人员理想地希望收集对QCD模型预测的质量范围内的轴敏感的更精确的观察结果。

萨夫迪说：“现在，我们知道我们的方法可行，我们将获得更多的数据，并且可以在更宽的频率范围内进行更深入的观察。” “我们已经在计划与Green Bank和Effelsberg进行进一步的观测，以将我们的探测范围扩大到更高的频率。然而，要明确探测QCD轴，我们可能需要等待即将到来的平方公里阵列（SKA）阵列，这将是一个变革希望通过SKA进行搜索会导致发现，或者在没有发现的情况下，对缩小轴的可能质量范围起重要作用。”更多信息：Joshua W. Foster等。 Green Bank和Effelsberg射电望远镜在中子星磁层中搜索轴突暗物质转换，《物理评论快报》（2020年）。 DOI：10.1103 / PhysRevLett.125.171301

Anson Hook等。中子星磁层中Axion暗物质转换产生的无线电信号，《物理评论快报》（2018年）。 DOI：10.1103 / PhysRevLett.121.241102