De acordo com as previsões teóricas, axion matéria escura pode ser convertida em radiação eletromagnética de radiofrequência quando se aproxima dos fortes campos magnéticos que cercam as estrelas de nêutrons. Esta assinatura de rádio, que seria caracterizado por um pico espectral ultrafina a uma frequência que depende da massa da partícula de matéria escura do axião em questão, poderia ser detectado usando instrumentos astronômicos de alta precisão.

Pesquisadores da Universidade de Michigan, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, e outros institutos em todo o mundo realizaram recentemente uma pesquisa por vestígios desta conversão axion de matéria escura em dados coletados por dois poderosos telescópios, o Green Bank Telescope (GBT) e o Telescópio Effelsberg. Seu estudo foi baseado em seus esforços de pesquisa anteriores e previsões teóricas, o último dos quais é um artigo publicado em 2018.

"A ideia proposta em nosso trabalho anterior e concretizada em muitas publicações subsequentes de toda a comunidade, é que a matéria escura do axião pode se converter em emissão de rádio de banda estreita nos fortes campos magnéticos ao redor das estrelas de nêutrons, "Benjamin R. Safdi, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Contudo, esses trabalhos mais antigos são puramente teóricos e envolvem especulações sobre como um sinal pode realmente ser encontrado na presença de dados ruidosos do telescópio do mundo real. Compreensível, há algum ceticismo sobre a viabilidade de tal pesquisa. "

Para realizar sua pesquisa, Safdi e seus colegas primeiro adquiriram um grande corpo de dados relevantes coletados usando radiotelescópios. Eles coletaram esses dados usando o GBT e o Telescópio Effelsberg, dois dos maiores radiotelescópios do mundo localizados em West Virginia (EUA) e Ahr Hills (Alemanha), respectivamente.

Os pesquisadores apontaram esses dois telescópios para uma variedade de alvos na Via Láctea e outras galáxias próximas. Estes incluíam estrelas de nêutrons bem perto do sol, bem como outras regiões do céu que são conhecidas por hospedar inúmeras estrelas de nêutrons (por exemplo, em direção ao centro de nossa galáxia). Eles então registraram a potência medida pelo telescópio em uma faixa de frequências. Um sinal associado à conversão da matéria escura dos axiões causaria excesso de potência em um único canal de frequência.

"Em seguida, desenvolvemos e implementamos técnicas novas e sofisticadas de coleta de dados e análise para separar um sinal de axio putativo de fundos confusos, "Safdi disse." Nossa busca é muito parecida com a procura de uma agulha em um palheiro, no sentido de que coletamos energia em milhões de diferentes 'canais de frequência', mas só se espera que o áxion contribua com excesso de energia em um desses canais, e atualmente não sabemos qual. "

Um desafio chave associado à busca por assinaturas de conversão de matéria escura de axion em dados de radiotelescópio é que também se podem encontrar sinais enganosos. Na verdade, fundo terrestre (por exemplo, sinais emitidos por comunicações de rádio, fornos de microondas e outros equipamentos na Terra) ou sinais emitidos por outros fenômenos astrofísicos poderiam ser confundidos com os sinais associados à conversão de matéria escura de axion em magnetosferas de estrelas de nêutrons.

Para enfrentar este desafio e garantir que eles não confundam outros sinais com assinaturas de rádio de conversão de matéria escura de axion, Safdi e seus colegas usaram uma série de estratégias. Por exemplo, como sinais reais de conversão de matéria escura do axion só seriam detectados na região que o telescópio está observando em um determinado momento, enquanto sinais terrestres seriam observados tanto naquela região quanto na Terra, eles rápida e continuamente mudaram o telescópio de locais "na fonte" para "fora da fonte" enquanto ele apontava para áreas em branco no céu.

"Também implementamos técnicas sofisticadas de análise de dados para filtrar e 'aprender' as propriedades do plano de fundo a partir dos próprios dados, "Safdi disse." Combinando todas essas técnicas, fomos capazes de coletar e analisar dados e concluir, conclusivamente, que nenhuma evidência para axions está presente nos dados. Esta foi uma tarefa não trivial, mas isso significa que agora desenvolvemos e demonstramos uma estrutura de observação e análise que pode ser usada em estudos futuros. Esse, para mim, é o principal significado do papel. "

Atualmente, axions estão entre os candidatos mais promissores de matéria escura, assim, inúmeras equipes de pesquisa em todo o mundo estão tentando detectá-los. Embora todas as pesquisas tenham sido malsucedidas, pesquisas de matéria escura de axioes de laboratório, como o Axion Dark Matter Experiment (ADMX) realizado na Universidade de Washington e outras universidades em todo o mundo, alcançaram até agora os resultados mais promissores.

O estudo recente realizado por Safdi e seus colegas sugere que pesquisas baseadas em dados de radiotelescópios podem ser igualmente valiosas na pesquisa de matéria escura de axion. Interessantemente, a pesquisa que eles conduziram é baseada em alguns dos mesmos princípios fundamentais por trás dos experimentos de laboratório conhecidos como 'haloscópios'.

Haloscópios são estratégias experimentais para converter matéria escura axion em sinais eletromagnéticos observáveis ​​usando grandes campos magnéticos de laboratório. De acordo com as previsões teóricas, na presença desses campos magnéticos, axions devem se transformar em radiação eletromagnética, com a extensão desta radiação variando de acordo com o tamanho desses campos (ou seja, quanto maior é um campo, quanto maior for a assinatura eletromagnética de um axião).

"Experimentos de laboratório de ponta, como o experimento ADMX, fazer uso de campos magnéticos próximos de ~ 10 Tesla (observe que a intensidade do campo magnético em uma máquina de ressonância magnética moderna é de cerca de ~ 1 Tesla, tipicamente), "Safdi explicou." Estrelas de nêutrons, por outro lado, pode hospedar campos magnéticos tão grandes quanto 100 bilhões de Tesla. Além disso, os campos magnéticos se estendem por centenas de quilômetros ao redor das estrelas de nêutrons, enquanto um experimento de laboratório pode manter esses campos apenas em uma fração de um metro. "

Essencialmente, em sua busca, os pesquisadores estavam tentando detectar os mesmos sinais que outras equipes tentaram detectar em experimentos de laboratório. Contudo, enquanto em experimentos de laboratório, o processo de conversão axion-fóton seria raro e o sinal resultante só seria detectado usando instrumentos sofisticados e bem protegidos, nas áreas ao redor de uma estrela de nêutrons, o mesmo sinal seria ampliado e violento. Até aqui, a maioria dos físicos optou por realizar pesquisas de matéria escura com base em haloscópios no laboratório porque os sinais eletromagnéticos produzidos em regiões distantes da Terra ainda são difíceis de observar usando os instrumentos astronômicos existentes, à medida que escurecem com a distância.

"Nosso trabalho mostra que as observações de rádio de estrelas de nêutrons podem competir com as pesquisas de laboratório e desempenharão um papel importante no futuro na descoberta de partículas de matéria escura de axion, "Disse Safdi." Acho que este é um insight importante porque significa que os radiotelescópios devem fazer parte das conversas que discutem a instrumentação para a detecção de matéria escura dos axiões. "

O trabalho recente de Safdi e seus colegas sugere que as observações de radiotelescópios de estrelas de nêutrons podem ser um caminho promissor para a detecção de matéria escura axion. Embora não tenham sido capazes de detectar os sinais que procuravam, sua pesquisa permitiu que os pesquisadores definissem restrições no espaço de parâmetros permitido para a matéria escura dos axiões, alcançando um pouco além das restrições existentes.

Infelizmente, o nível de sensibilidade das restrições que eles definem não é alto o suficiente para que suas descobertas afetem os mais renomados modelos de axion cromodinâmicos quânticos (QCD). Apesar disso, este estudo recente serve como uma prova de princípio e pode abrir caminho para pesquisas semelhantes usando diferentes dados ou instrumentos.

A faixa de massa de matéria escura do axion que os pesquisadores sondaram até agora (ou seja, aproximadamente 10 micro-eV) é o intervalo que poderia, em última análise, confirmar a abundância de matéria escura em nosso universo. Por exemplo, em outro estudo, Safdi e seus colegas Joshua W. Foster e Malte Buschmann estimaram que, a fim de confirmar as previsões atuais sobre a prevalência da matéria escura no universo, a massa dos axions deve estar entre 10 e 40 micro-eV.

"Esta previsão faz suposições de como, exatamente, axion matéria escura é produzida no início do universo, então é possível que mecanismos de produção mais complicados estejam em jogo que trariam o áxion para fora desta janela, mas acho que, no momento, a janela do axion de ~ 10-40 micro-eV é uma das faixas de massa mais motivadas para o axion, "Safdi disse." Enquanto nosso papel analisa eixos nesta faixa de massa, nossos resultados não são sensíveis o suficiente para sondar a parte mais motivada do espaço de parâmetros, que é a região que descreve o axião QCD. "

Se eles foram validados em experimentos, Os modelos teóricos do axion QCD poderiam lançar alguma luz sobre uma série de outros fenômenos naturais que vão além da busca pela matéria escura; por exemplo, explicando por que os nêutrons não giram em campos elétricos. Esses modelos, Contudo, preveja a ocorrência de acoplamentos que são um fator de ~ 10-100 a menos do que os instrumentos usados ​​no estudo recente de Safdi e seus colegas foram sensíveis. No futuro, os pesquisadores, portanto, gostariam idealmente de reunir observações mais precisas que são sensíveis a axions na faixa de massa prevista por modelos QCD.

"Agora que sabemos que nosso método funciona, vamos adquirir muito mais dados, com observações mais profundas em uma gama mais ampla de frequências, "Safdi disse." Já estamos planejando observações futuras com Green Bank e Effelsberg que estenderão nosso alcance para frequências mais altas. Para sondar definitivamente o eixo QCD, Contudo, podemos ter que esperar pelo próximo conjunto de telescópios Square Kilometer Array (SKA), o que será transformacional para esta pesquisa porque nos dará ordens de magnitude mais sensibilidade. Temos esperança de que as pesquisas com SKA levem à descoberta do áxion ou, na ausência de uma descoberta, desempenham um papel importante no estreitamento da faixa de massa possível para os áxions. "

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