La materia oscura, la materia del universo que no emite, absorbe ni refleja luz, no se puede detectar directamente con telescopios convencionales u otras tecnologías de imagen. Por lo tanto, los astrofísicos han estado tratando de identificar métodos alternativos para detectar la materia oscura durante décadas.
Investigadores de la Universidad de Tsinghua, el Observatorio de la Montaña Púrpura y la Universidad de Pekín llevaron a cabo recientemente un estudio que explora la posibilidad de detectar directamente fotones oscuros, candidatos destacados a la materia oscura, utilizando radiotelescopios. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, podría informar futuras búsquedas de fotones oscuros, que son partículas hipotéticas que transportarían una fuerza en la materia oscura, de manera similar a cómo los fotones transportan el electromagnetismo en la materia normal.
“Nuestro trabajo anterior estudió la conversión de fotones oscuros en fotones en la corona solar”, dijo a Phys.org Haipeng An, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio.
“Este proceso involucra la excitación de electrones libres por campos de fotones oscuros, lo que conduce a la emisión de fotones normales. Sobre la base de este trabajo, Jia y yo consideramos usar los electrones libres en un telescopio cóncavo para inducir señales electromagnéticas y luego usar el telescopio FAST para buscar buscar tal señal”.
Poco después, comenzaron a explorar el uso de telescopios cóncavos para buscar señales electromagnéticas relacionadas con los fotones oscuros. An y sus colegas se dieron cuenta de que, debido a la naturaleza no relativista de la materia oscura, el reflector de tales telescopios tendría que ser esférico y el El receptor de la señal debe colocarse en el centro de esta esfera.
Sin embargo, los radiotelescopios de plato existentes, como el radiotelescopio esférico de apertura de quinientos metros (FAST) en China, están diseñados para observar señales de radio remotas, por lo que la forma de su plato es parabólica, con el receptor colocado en el punto de enfocar.
Esto significaba que las señales electromagnéticas inducidas por fotones oscuros no se concentrarían en su receptor.
“Después de darnos cuenta, abandonamos temporalmente esta idea”, explicó An. “En el verano de 2021, me invitaron a dar conferencias sobre materia oscura en la escuela de verano de cosmología de la UFITS que se llevó a cabo en el sitio FAST, donde estudié los detalles de cómo funciona el telescopio FAST. Aprendí que el receptor suspendido sobre el plato podría moverse de tal manera que el telescopio pudiera observar ondas de radio desde diferentes direcciones. Luego se me ocurrió la idea de que, aunque las ondas EM inducidas por la materia oscura del fotón oscuro no se enfocan en el receptor, el campo EM puede formar una distribución en la parte superior de el plato, y esta distribución se puede calcular teóricamente con precisión”.
Según las predicciones teóricas posteriores de An, el receptor móvil de los radiotelescopios debería poder recoger señales electromagnéticas en diferentes lugares. Las señales recopiladas por el receptor podrían compararse con las distribuciones predichas por la teoría, lo que ayudaría a mejorar la sensibilidad de los telescopios a las señales inducidas por fotones oscuros.
“Con nuestros colegas, comenzamos a calcular esta señal”, dijo An. “Para nuestra sorpresa, descubrimos que incluso sin considerar la distribución, con la extraordinaria sensibilidad, incluso con el hecho de que la señal inducida por la materia oscura del fotón oscuro no está enfocada en el receptor, la sensibilidad del telescopio FAST ya ha superado la restricción CMB. , lo que significa que el telescopio FAST puede descubrir la materia oscura si la materia oscura está compuesta por fotones oscuros y está en la región de masa correcta”.
Para evaluar aún más la viabilidad de su método propuesto para buscar fotones oscuros, An y sus colegas también analizaron los datos de observación recopilados por el radiotelescopio FAST, que se encuentra en un pueblo en las montañas de la región de Guizhou en China. Estos datos fueron proporcionados por el profesor Xiaoyuan Huang, quien también es coautor del artículo reciente.
“Analizamos los datos y colocamos el límite más estricto en el modelo en el rango de frecuencia de 1 a 1,5 GHz”, dijo An. “Nos dimos cuenta de que la materia oscura de fotones oscuros podría inducir señales eléctricas en antenas dipolo y que, debido a la naturaleza no relativista, podríamos usar tecnología de interferometría para mejorar la sensibilidad. Por lo tanto, calculamos la sensibilidad potencial del telescopio LOFAR y el futuro SKA. telescopio y descubre que ambos tienen el potencial de descubrir materia oscura de fotones oscuros”.
En general, los análisis realizados por este equipo de investigadores sugieren que los radiotelescopios podrían potencialmente permitir la detección directa de fotones oscuros. Por lo tanto, su trabajo podría ampliar los horizontes en la búsqueda en curso de fotones oscuros, particularmente fotones oscuros ultraligeros.
“A principios de la década de 1960, mientras realizaban una investigación en radioastronomía, Penzias y Wilson tropezaron con un inesperado ruido de fondo de bajo nivel”, dijo An. “Más tarde se confirmó que este ruido era la radiación cósmica de fondo de microondas, lo que proporcionó evidencia importante de la expansión temprana y caliente del universo. Los fotones oscuros ultraligeros exhiben interacciones electromagnéticas similares a las de los fotones a través de la mezcla cinética con fotones. Como candidato a materia oscura difusa en el universo, los fotones oscuros ultraligeros pueden mostrar un comportamiento similar al de la radiación cósmica de fondo de microondas. Al escuchar atentamente con los radiotelescopios modernos, se pueden escuchar susurros esquivos del mundo oscuro”.
Los fotones oscuros ultraligeros pueden comportarse de manera similar a los campos electromagnéticos oscuros con frecuencias específicas, y este equipo de investigación demostró que podría detectarse potencialmente usando radiotelescopios, instrumentos que se usan comúnmente para observar el fondo cósmico de microondas. En el futuro, sus consideraciones teóricas podrían informar las búsquedas de materia oscura de fotones oscuros que se basan en observaciones de radiotelescopios a gran escala.
“Nuestro trabajo puede abrir una nueva subárea en radioastronomía”, agregó An. “Ahora planeamos buscar señales de materia oscura de fotones oscuros en los datos de los telescopios LOFAR y MeerKAT. También planeamos aplicar esta idea para buscar materia oscura axion, otro candidato competitivo de materia oscura ultraligera”.
Con información de Physical Review Letters
