Темная материя, материя во Вселенной, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет, не может быть обнаружена напрямую с помощью обычных телескопов или других технологий визуализации. Таким образом, астрофизики десятилетиями пытались определить альтернативные методы обнаружения темной материи.

Исследователи из Университета Цинхуа, Обсерватории Пурпурной горы и Пекинского университета недавно провели исследование, изучающее возможность прямого обнаружения темных фотонов, выдающихся кандидатов в темную материю, с помощью радиотелескопов. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters , может дать информацию для будущих поисков темных фотонов, которые являются гипотетическими частицами, которые будут нести силу в темной материи, подобно тому, как фотоны несут электромагнетизм в обычной материи.

« Наша предыдущая работа изучала преобразование темных фотонов в фотоны в солнечной короне », — сказал Phys.org Хайпэн Ан, один из исследователей, проводивших исследование.

«Этот процесс включает в себя возбуждение свободных электронов полями темных фотонов , что приводит к испусканию обычных фотонов. Опираясь на эту работу, Цзя и я решили использовать свободные электроны в тарельчатом телескопе для индуцирования электромагнитных сигналов, а затем использовать телескоп FAST для ищите ищите такой сигнал.»

Вскоре после этого они начали исследовать использование тарельчатых телескопов для поиска электромагнитных сигналов, связанных с темными фотонами. Ан и его коллеги поняли, что из-за нерелятивистской природы темной материи отражатель в таких телескопах должен быть сферическим, а приемник сигнала должен находиться в центре этой сферы.

Однако существующие тарельчатые радиотелескопы, такие как сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой (FAST) в Китае, предназначены для наблюдения удаленных радиосигналов, поэтому форма их тарелки имеет параболическую форму, а приемник расположен в точке наблюдения.

Это означало, что электромагнитные сигналы, индуцированные темными фотонами, не будут концентрироваться в их приемнике.

«После этого осознания мы временно отказались от этой идеи», — объяснил Ан. «Летом 2021 года меня пригласили читать лекции о темной материи на летнюю школу UFITS по космологии, проходившую на площадке FAST, где я подробно изучил, как работает телескоп FAST. Я узнал, что приемник подвешен над тарелкой мог перемещаться так, что телескоп мог наблюдать радиоволны с разных направлений.Затем мне пришла в голову идея, что, хотя электромагнитные волны темного фотона, вызванные темной материей, не фокусируются на приемнике, электромагнитное поле может формировать распределение поверх блюдо, и это распределение может быть точно рассчитано теоретически».

Согласно последующим теоретическим предсказаниям Ана, подвижный приемник в радиотелескопах должен иметь возможность собирать электромагнитные сигналы в разных местах. Затем сигналы, собранные приемником, можно было бы сравнить с распределениями, предсказанными теорией, что помогло бы улучшить чувствительность телескопов к сигналам, индуцированным темными фотонами.

«Затем мы с нашими коллегами начали вычислять этот сигнал», — сказал Ан. «К нашему удивлению, мы обнаружили, что даже без учета распределения, с необычайной чувствительностью, даже с учетом того факта, что сигнал, индуцированный темной материей, темным фотоном, не фокусируется на приемнике, чувствительность телескопа FAST уже превзошла ограничение CMB. , что означает, что телескоп FAST может обнаружить темную материю, если темная материя состоит из темного фотона и находится в правильном диапазоне массы».

Чтобы дополнительно оценить жизнеспособность предложенного ими метода поиска темных фотонов, Ан и его коллеги также проанализировали данные наблюдений, собранные радиотелескопом FAST, который расположен в деревне в горах в районе Гуйчжоу в Китае. Эти данные были предоставлены профессором Xiaoyuan Huang, который также является соавтором недавней статьи.

«Мы проанализировали данные и наложили самые строгие ограничения на модель в диапазоне частот 1–1,5 ГГц», — сказал Ан. «Мы поняли, что темная фотонная темная материя может индуцировать электрические сигналы на дипольных антеннах и что из-за нерелятивистской природы мы можем использовать технологию интерферометрии для повышения чувствительности. Поэтому мы рассчитываем потенциальную чувствительность телескопа LOFAR и будущего SKA. телескоп и обнаруживают, что у них обоих есть потенциал для открытия темной материи темных фотонов».

В целом, анализ, проведенный этой группой исследователей, предполагает, что радиотелескопы потенциально могут обеспечить прямое обнаружение темных фотонов. Таким образом, их работа может расширить горизонты продолжающегося поиска темных фотонов, особенно сверхлегких темных фотонов.

«В начале 1960-х годов, проводя исследования в области радиоастрономии, Пензиас и Уилсон неожиданно наткнулись на низкоуровневый фоновый шум, — сказал Ан. «Позже было подтверждено, что этот шум представляет собой космическое микроволновое фоновое излучение , что является важным свидетельством горячего раннего расширения Вселенной. Ультралегкие темные фотоны проявляют фотоноподобные электромагнитные взаимодействия посредством кинетического смешивания с фотонами. Как кандидат на диффузную темную материю во Вселенной сверхлегкие темные фотоны могут демонстрировать поведение, подобное космическому микроволновому фоновому излучению. Внимательно прислушиваясь с помощью современных радиотелескопов, можно услышать неуловимый шепот из темного мира».

Сверхлегкие темные фотоны могут вести себя подобно темным электромагнитным полям с определенными частотами, и эта исследовательская группа показала, что потенциально их можно обнаружить с помощью радиотелескопов, инструментов, которые обычно используются для наблюдения космического микроволнового фона. В будущем их теоретические соображения могут помочь в поисках темной фотонной темной материи, которые основаны на крупномасштабных наблюдениях с помощью радиотелескопов.

«Наша работа может открыть новую область в радиоастрономии», — добавил Ан. «Теперь мы планируем искать сигналы темной фотонной темной материи в данных телескопов LOFAR и MeerKAT. Мы также планируем применить эту идею для поиска аксионной темной материи, еще одного конкурентного кандидата в сверхлегкую темную материю».