Secondo previsioni teoriche, La materia oscura di assioni potrebbe essere convertita in radiazione elettromagnetica a radiofrequenza quando si avvicina ai forti campi magnetici che circondano le stelle di neutroni. Questa firma radiofonica, che sarebbe caratterizzato da un picco spettrale ultrastretto ad una frequenza che dipende dalla massa della particella di materia oscura assionica in questione, potrebbe essere rilevato utilizzando strumenti astronomici di alta precisione.

Ricercatori dell'Università del Michigan, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, e altri istituti in tutto il mondo hanno recentemente effettuato una ricerca di tracce di questa conversione della materia oscura da assioni nei dati raccolti da due potenti telescopi, il Green Bank Telescope (GBT) e il telescopio Effelsberg. Il loro studio si basava sui loro precedenti sforzi di ricerca e previsioni teoriche, l'ultimo dei quali è un documento pubblicato nel 2018.

"L'idea proposta nel nostro lavoro precedente e concretizzata in molte pubblicazioni successive da tutta la comunità, è che la materia oscura degli assioni può convertirsi in emissioni radio a banda stretta nei forti campi magnetici che circondano le stelle di neutroni, "Benjamin R. Safdi, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Però, questi vecchi lavori sono puramente teorici e implicano speculazioni su come un segnale potrebbe effettivamente essere trovato in presenza di dati rumorosi del telescopio del mondo reale. Comprensibilmente, c'è un certo scetticismo sulla fattibilità di una tale ricerca".

Per effettuare la loro ricerca, Safdi e i suoi colleghi hanno prima acquisito una grande quantità di dati rilevanti raccolti utilizzando i radiotelescopi. Hanno raccolto questi dati utilizzando il GBT e l'Effelsberg Radio Telescope, due dei più grandi radiotelescopi al mondo situati in West Virginia (USA) e Ahr Hills (Germania), rispettivamente.

I ricercatori hanno puntato questi due telescopi verso una varietà di obiettivi nella Via Lattea e in altre galassie vicine. Questi includevano stelle di neutroni abbastanza vicine al sole, così come altre regioni del cielo che sono note per ospitare numerose stelle di neutroni (ad esempio, verso il centro della nostra galassia). Hanno quindi registrato la potenza misurata dal telescopio su una gamma di frequenze. Un segnale associato alla conversione della materia oscura degli assioni causerebbe un eccesso di potenza in un singolo canale di frequenza.

"Abbiamo quindi sviluppato e implementato nuove e sofisticate tecniche di acquisizione e analisi dei dati al fine di separare un presunto segnale di assioni da sfondi confondenti, " Ha detto Safdi. "La nostra ricerca è molto simile a cercare un ago in un pagliaio, nel senso che raccogliamo potenza attraverso milioni di diversi "canali di frequenza", ma ci si aspetta che l'assione contribuisca solo con l'eccesso di potenza in uno di questi canali, e al momento non sappiamo quale."

Una sfida chiave associata alla ricerca delle firme di conversione della materia oscura degli assioni nei dati del radiotelescopio è che si possono anche incontrare segnali fuorvianti. Infatti, sfondo terrestre (ad es. segnali emessi dalle comunicazioni radio, forni a microonde e altre apparecchiature sulla terra) o segnali emessi da altri fenomeni astrofisici potrebbero essere scambiati per segnali associati alla conversione della materia oscura di assioni nelle magnetosfere di stelle di neutroni.

Per affrontare questa sfida e garantire che non abbiano scambiato altri segnali per firme radio di conversione della materia oscura di assioni, Safdi e i suoi colleghi hanno utilizzato una serie di strategie. Ad esempio, poiché i segnali di conversione della materia oscura dell'assone reale verrebbero rilevati solo nella regione che il telescopio sta osservando in un dato momento, mentre i segnali terrestri verrebbero osservati sia in quella regione che sulla Terra, hanno spostato rapidamente e continuamente il telescopio da posizioni "on source" a "off source" mentre puntava verso aree vuote nel cielo.

"Abbiamo anche implementato sofisticate tecniche di analisi dei dati per filtrare e 'apprendere' le proprietà dello sfondo dai dati stessi, " Ha detto Safdi. "Combinando tutte queste tecniche insieme, siamo stati in grado di raccogliere e analizzare i dati e concludere, conclusivamente, che nei dati non sono presenti prove di assioni. Questo era un compito non banale, ma questo significa che ora abbiamo sviluppato e dimostrato un quadro di osservazione e analisi che può essere utilizzato in studi futuri. Questo, per me, è il significato principale della carta."

Attualmente, gli assioni sono tra i candidati più promettenti per la materia oscura, così innumerevoli gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno cercando di rilevarli. Anche se tutte le ricerche non hanno avuto successo, ricerche di materia oscura da assioni di laboratorio, come l'Axion Dark Matter Experiment (ADMX) condotto presso l'Università di Washington e altre università in tutto il mondo, hanno finora ottenuto i risultati più promettenti.

Il recente studio condotto da Safdi e dai suoi colleghi suggerisce che le ricerche basate sui dati del radiotelescopio potrebbero essere ugualmente preziose nella ricerca della materia oscura degli assioni. interessante, la ricerca che hanno condotto si basa su alcuni degli stessi principi fondamentali alla base degli esperimenti di laboratorio noti come "aloscopi".

Gli aloscopi sono strategie sperimentali per convertire la materia oscura degli assioni in segnali elettromagnetici osservabili utilizzando grandi campi magnetici di laboratorio. Secondo previsioni teoriche, in presenza di questi campi magnetici, gli assioni dovrebbero trasformarsi in radiazione elettromagnetica, con l'estensione di questa radiazione che varia secondo la dimensione di questi campi (cioè, più grande è un campo, maggiore è la firma elettromagnetica di un assioni).

"Esperimenti di laboratorio all'avanguardia, come l'esperimento ADMX, fare uso di campi magnetici che si avvicinano a ~ 10 Tesla (si noti che l'intensità del campo magnetico in una moderna macchina per la risonanza magnetica è di circa ~ 1 Tesla, tipicamente), " spiegò Safdi. "Stelle di neutroni, d'altra parte, può ospitare campi magnetici grandi quanto 100 miliardi di Tesla. Inoltre, i campi magnetici si estendono per centinaia di chilometri attorno alle stelle di neutroni, mentre un esperimento di laboratorio potrebbe mantenere questi campi solo per una frazione di metro".

Essenzialmente, nella loro ricerca, i ricercatori stavano cercando di rilevare gli stessi segnali che altri team hanno cercato di rilevare in esperimenti di laboratorio. Però, mentre negli esperimenti di laboratorio il processo di conversione assione-fotone sarebbe raro e il segnale risultante verrebbe rilevato solo utilizzando strumenti sofisticati e ben schermati, nelle aree circostanti una stella di neutroni, lo stesso segnale sarebbe amplificato e violento. Finora, la maggior parte dei fisici ha scelto di condurre ricerche sulla materia oscura basate su aloscopi in laboratorio perché i segnali elettromagnetici prodotti in regioni lontane dalla Terra sono ancora difficili da osservare utilizzando gli strumenti astronomici esistenti, mentre si attenuano con la distanza.

"Il nostro lavoro mostra che le osservazioni radio delle stelle di neutroni possono competere con le ricerche di laboratorio e svolgeranno un ruolo importante in futuro verso la scoperta di particelle di materia oscura di assioni, " Ha detto Safdi. "Penso che questa sia un'intuizione importante perché significa che i radiotelescopi dovrebbero essere parte delle conversazioni che discutono della strumentazione per il rilevamento della materia oscura degli assioni".

Il recente lavoro di Safdi e dei suoi colleghi suggerisce che le osservazioni al radiotelescopio delle stelle di neutroni potrebbero essere un percorso promettente verso il rilevamento della materia oscura degli assioni. Sebbene non fossero in grado di rilevare i segnali che stavano cercando, la loro ricerca ha permesso ai ricercatori di impostare dei vincoli sullo spazio dei parametri ammissibile della materia oscura degli assioni, andando leggermente al di là dei vincoli esistenti.

Sfortunatamente, il livello di sensibilità dei vincoli impostati non è sufficientemente alto da consentire alle loro scoperte di influenzare i più rinomati modelli di assioni cromodinamici quantistici (QCD). Ciò nonostante, questo recente studio serve come prova di principio e potrebbe aprire la strada a ricerche simili utilizzando dati o strumenti diversi.

L'intervallo di massa della materia oscura degli assioni che i ricercatori hanno sondato finora (cioè, circa 10 micro-eV) è l'intervallo che potrebbe in definitiva confermare l'abbondanza di materia oscura nel nostro universo. Ad esempio, in un altro studio, Safdi e i suoi colleghi Joshua W. Foster e Malte Buschmann hanno stimato che per confermare le attuali previsioni sulla prevalenza della materia oscura nell'universo, la massa degli assioni dovrebbe essere compresa tra 10 e 40 micro-eV.

"Questa previsione fa supposizioni su come, Esattamente, la materia oscura assionica è prodotta nell'universo primordiale, quindi è possibile che siano in gioco meccanismi di produzione più complicati che porterebbero l'assone fuori da questa finestra, ma penso che attualmente la finestra assionica ~10-40 micro-eV sia una delle gamme di massa meglio motivate per l'assione, " Ha detto Safdi. "Mentre la nostra carta sonda gli assioni in questa gamma di massa, i nostri risultati non sono abbastanza sensibili da sondare la parte più motivata dello spazio dei parametri, che è la regione che descrive l'assione QCD."

Se sono stati convalidati negli esperimenti, I modelli teorici dell'assone QCD potrebbero far luce su una serie di altri fenomeni naturali che vanno oltre la ricerca della materia oscura; ad esempio, spiegando perché i neutroni non ruotano nei campi elettrici. Questi modelli, però, prevedere il verificarsi di accoppiamenti che sono un fattore di ~10—100 inferiori a quelli a cui erano sensibili gli strumenti utilizzati nel recente studio di Safdi e dei suoi colleghi. Nel futuro, i ricercatori vorrebbero quindi idealmente raccogliere osservazioni più precise che sono sensibili agli assioni nell'intervallo di massa previsto dai modelli QCD.

"Ora che sappiamo che il nostro metodo funziona, acquisiremo molti più dati, con osservazioni più approfondite su una gamma più ampia di frequenze, "Safdi ha detto. "Stiamo già pianificando osservazioni future con Green Bank ed Effelsberg che estenderanno la nostra portata a frequenze più alte. Per sondare definitivamente l'assone QCD, però, potremmo aver bisogno di aspettare il prossimo array di telescopi Square Kilometer Array (SKA), che sarà trasformativo per questa ricerca perché ci darà ordini di grandezza in più di sensibilità. Speriamo che le ricerche con SKA portino alla scoperta dell'assone o, in assenza di una scoperta, svolgono un ruolo importante nel restringere il possibile intervallo di massa per gli assioni".

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