Según las predicciones teóricas, La materia oscura de los axiones podría convertirse en radiación electromagnética de radiofrecuencia cuando se acerque a los fuertes campos magnéticos que rodean a las estrellas de neutrones. Esta firma de radio, que se caracterizaría por un pico espectral ultra estrecho a una frecuencia que depende de la masa de la partícula de materia oscura del axión en cuestión, podría detectarse utilizando instrumentos astronómicos de alta precisión.

Investigadores de la Universidad de Michigan, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y otros institutos de todo el mundo han llevado a cabo recientemente una búsqueda de rastros de esta conversión de materia oscura de axiones en datos recopilados por dos potentes telescopios, el Telescopio Green Bank (GBT) y el Telescopio Effelsberg. Su estudio se basó en sus esfuerzos de investigación previos y predicciones teóricas, el último de los cuales es un artículo publicado en 2018.

"La idea propuesta en nuestro trabajo anterior y desarrollada en muchas publicaciones posteriores de toda la comunidad, es que la materia oscura del axión puede convertirse en emisión de radio de banda estrecha en los fuertes campos magnéticos que rodean las estrellas de neutrones, "Benjamin R. Safdi, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Sin embargo, Estos trabajos más antiguos son puramente teóricos e implican especulaciones sobre cómo se podría encontrar realmente una señal en presencia de datos ruidosos de telescopios del mundo real. Comprensiblemente, existe cierto escepticismo sobre la viabilidad de tal búsqueda ".

Para realizar su búsqueda, Safdi y sus colegas adquirieron por primera vez una gran cantidad de datos relevantes recopilados mediante radiotelescopios. Recopilaron estos datos utilizando el GBT y el radiotelescopio de Effelsberg, dos de los radiotelescopios más grandes del mundo ubicados en West Virginia (EE. UU.) y Ahr Hills (Alemania), respectivamente.

Los investigadores apuntaron estos dos telescopios hacia una variedad de objetivos en la Vía Láctea y otras galaxias cercanas. Estos incluían estrellas de neutrones bastante cercanas al sol, así como otras regiones del cielo que se sabe que albergan numerosas estrellas de neutrones (por ejemplo, hacia el centro de nuestra galaxia). Luego registraron la potencia medida por el telescopio en un rango de frecuencias. Una señal asociada con la conversión de materia oscura axiónica causaría un exceso de potencia en un solo canal de frecuencia.

"Luego, desarrollamos e implementamos técnicas novedosas y sofisticadas de toma de datos y análisis para separar una señal de axión putativa de fondos confusos, ", Dijo Safdi." Nuestra búsqueda es muy parecida a buscar una aguja en un pajar, en el sentido de que recolectamos energía a través de millones de diferentes 'canales de frecuencia', pero solo se espera que el axión contribuya con un exceso de potencia en uno de estos canales, y actualmente no sabemos cuál ".

Un desafío clave asociado con la búsqueda de firmas de conversión de materia oscura de axiones en datos de radiotelescopios es que también se pueden encontrar señales engañosas. De hecho, fondo terrestre (por ejemplo, señales emitidas por radiocomunicaciones, hornos microondas y otros equipos en la tierra) o las señales emitidas por otros fenómenos astrofísicos podrían confundirse con las señales asociadas con la conversión de materia oscura de axiones en magnetosferas de estrellas de neutrones.

Para abordar este desafío y asegurarse de que no confundieron otras señales con firmas de radio de conversión de materia oscura de axiones, Safdi y sus colegas utilizaron una serie de estrategias. Por ejemplo, dado que las señales de conversión de materia oscura de axiones reales solo se detectarían en la región que el telescopio está observando en un momento dado, mientras que las señales terrestres se observarían tanto en esa región como en la Tierra, cambiaron rápida y continuamente el telescopio de ubicaciones "en la fuente" a "fuera de la fuente" mientras apuntaba hacia áreas en blanco en el cielo.

"También implementamos técnicas sofisticadas de análisis de datos para filtrar y 'aprender' las propiedades del fondo a partir de los datos en sí, "Dijo Safdi." Combinando todas estas técnicas juntas, pudimos recopilar y analizar datos y concluir, de manera concluyente, que no hay evidencia de axiones en los datos. Esta fue una tarea no trivial, pero esto significa que ahora hemos desarrollado y demostrado un marco de observación y análisis que se puede utilizar en estudios futuros. Esta, a mi, es el principal significado del artículo ".

En la actualidad, los axiones se encuentran entre los candidatos a materia oscura más prometedores, por lo tanto, innumerables equipos de investigación en todo el mundo están tratando de detectarlos. Si bien todas las búsquedas no han tenido éxito, búsquedas de materia oscura de axiones de laboratorio, como el Axion Dark Matter Experiment (ADMX) realizado en la Universidad de Washington y otras universidades de todo el mundo, han logrado hasta ahora los resultados más prometedores.

El estudio reciente llevado a cabo por Safdi y sus colegas sugiere que las búsquedas basadas en datos de radiotelescopios podrían ser igualmente valiosas en la búsqueda de materia oscura de axiones. Curiosamente, la búsqueda que llevaron a cabo se basa en algunos de los mismos principios fundamentales detrás de los experimentos de laboratorio conocidos como "haloscopios".

Los haloscopios son estrategias experimentales para convertir la materia oscura de los axiones en señales electromagnéticas observables utilizando grandes campos magnéticos de laboratorio. Según las predicciones teóricas, en presencia de estos campos magnéticos, los axiones deben transformarse en radiación electromagnética, con la extensión de esta radiación que varía según el tamaño de estos campos (es decir, cuanto más grande es un campo, cuanto mayor sea la firma electromagnética de un axión).

"Experimentos de laboratorio de vanguardia, como el experimento ADMX, hacer uso de campos magnéticos que se acerquen a ~ 10 Tesla (tenga en cuenta que la intensidad del campo magnético en una máquina de resonancia magnética moderna es de aproximadamente ~ 1 Tesla, típicamente), "Safdi explicó." Estrellas de neutrones, por otra parte, puede albergar campos magnéticos de hasta 100 mil millones de Tesla. Es más, los campos magnéticos se extienden a lo largo de cientos de kilómetros alrededor de las estrellas de neutrones, mientras que un experimento de laboratorio sólo puede mantener estos campos en una fracción de metro ".

Esencialmente, en su búsqueda, los investigadores intentaban detectar las mismas señales que otros equipos intentaron detectar en experimentos de laboratorio. Sin embargo, mientras que en los experimentos de laboratorio el proceso de conversión axión-fotón sería raro y la señal resultante solo se detectaría utilizando instrumentos sofisticados y bien blindados, en las áreas que rodean una estrella de neutrones, la misma señal sería magnificada y violenta. Hasta aquí, La mayoría de los físicos han optado por realizar búsquedas de materia oscura basadas en haloscopios en el laboratorio porque las señales electromagnéticas producidas en regiones que están lejos de la Tierra aún son difíciles de observar con los instrumentos astronómicos existentes. mientras se oscurecen con la distancia.

"Nuestro trabajo muestra que las observaciones de radio de estrellas de neutrones pueden competir con las búsquedas de laboratorio y desempeñarán un papel importante en el futuro en el descubrimiento de partículas de materia oscura de axiones". ", Dijo Safdi." Creo que esta es una idea importante porque significa que los radiotelescopios deberían ser parte de las conversaciones sobre la instrumentación para la detección de materia oscura de axiones ".

El trabajo reciente de Safdi y sus colegas sugiere que las observaciones de radiotelescopios de estrellas de neutrones podrían ser un camino prometedor para detectar la materia oscura de los axiones. Si bien no pudieron detectar las señales que estaban buscando, su búsqueda permitió a los investigadores establecer restricciones en el espacio de parámetros permitido de la materia oscura de los axiones, llegando un poco más allá de las limitaciones existentes.

Desafortunadamente, el nivel de sensibilidad de las restricciones que establecieron no es lo suficientemente alto como para que sus hallazgos afecten a los modelos de axiones de cromodinámica cuántica (QCD) más reconocidos. Sin embargo, Este estudio reciente sirve como prueba de principio y podría allanar el camino para búsquedas similares utilizando diferentes datos o instrumentos.

El rango de masa de materia oscura de axiones que los investigadores probaron hasta ahora (es decir, aproximadamente 10 micro-eV) es el rango que finalmente podría confirmar la abundancia de materia oscura en nuestro universo. Por ejemplo, en otro estudio, Safdi y sus colegas Joshua W. Foster y Malte Buschmann estimaron que para confirmar las predicciones actuales sobre la prevalencia de la materia oscura en el universo, la masa de axiones debe estar entre 10 y 40 micro-eV.

"Esta predicción hace suposiciones sobre cómo, exactamente, La materia oscura del axión se produce en el universo temprano, por lo que es posible que estén en juego mecanismos de producción más complicados que llevarían al axión fuera de esta ventana, pero creo que en la actualidad la ventana de axiones de ~ 10-40 micro-eV es uno de los rangos de masa mejor motivados para el axión, ", Dijo Safdi." Mientras nuestro papel sondea axiones en este rango de masa, Nuestros resultados no son lo suficientemente sensibles como para sondear la parte mejor motivada del espacio de parámetros, que es la región que describe el axión QCD ".

Si fueron validados en experimentos, Los modelos teóricos de axiones QCD podrían arrojar algo de luz sobre una serie de otros fenómenos naturales que van más allá de la búsqueda de materia oscura; por ejemplo, explicando por qué los neutrones no giran en campos eléctricos. Estos modelos, sin embargo, predicen la ocurrencia de acoplamientos que son un factor de ~ 10-100 más bajo de lo que eran sensibles los instrumentos utilizados en el estudio reciente de Safdi y sus colegas. En el futuro, Por lo tanto, lo ideal sería que los investigadores recopilaran observaciones más precisas que sean sensibles a los axiones en el rango de masa predicho por los modelos QCD.

"Ahora que sabemos que nuestro método funciona, vamos a adquirir muchos más datos, con observaciones más profundas en una gama más amplia de frecuencias, ", Dijo Safdi." Ya estamos planeando futuras observaciones con Green Bank y Effelsberg que extenderán nuestro alcance a frecuencias más altas. Para sondear definitivamente el axión QCD, sin embargo, es posible que tengamos que esperar al próximo conjunto de telescopios Square Kilometer Array (SKA), lo cual será transformador para esta búsqueda porque nos dará órdenes de magnitud más de sensibilidad. Esperamos que las búsquedas con SKA conduzcan al descubrimiento del axión o, en ausencia de un descubrimiento, juegan un papel importante en la reducción del rango de masa posible para los axiones ".

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