作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 100米罗伯特C
伯德格林班克望远镜
学分:GBT-NRAO/GBO
根据理论预测，当轴子暗物质接近中子星周围的强磁场时，它可以被转换成射频电磁辐射
这种无线电信号的特征是一个超窄的光谱峰值，其频率取决于所讨论的轴子暗物质粒子的质量，可以用高精度天文仪器探测到
密歇根大学、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和世界其他研究所的研究人员最近在两个强大的望远镜，格林班克望远镜(GBT)和埃弗斯贝格望远镜收集的数据中进行了轴子暗物质转换痕迹的研究
他们的研究基于他们之前的研究成果和理论预测，最新的一篇论文发表于2018年
“在我们早期的工作中提出的想法，并在整个社区的许多后续出版物中得到充实，就是轴子暗物质可能在中子星周围的强磁场中转化为窄带无线电发射，”本杰明·R
进行这项研究的研究人员之一萨夫迪告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“然而，这些早期的工作纯粹是理论性的，涉及到在嘈杂的真实世界望远镜数据中如何实际发现信号的推测
可以理解的是，人们对这种搜索的可行性有些怀疑
" 为了进行搜索，萨夫迪和他的同事首先获得了大量用射电望远镜收集的相关数据
他们用位于西弗吉尼亚州的GBT和埃弗斯伯格射电望远镜收集了这些数据
S
)和阿尔山(德国)
研究人员将这两个望远镜指向银河系和其他邻近星系的各种目标
这些包括相当靠近太阳的中子星，以及已知拥有大量中子星(例如
g
，朝向我们银河系的中心)
然后他们记录了望远镜在一定频率范围内测量的功率
一个与轴子暗物质转换相关的信号会在一个单一的频率通道中产生过剩的能量
萨夫迪说:“然后我们开发并实施了新颖而复杂的数据采集和分析技术，以便从混杂的背景中分离出假定的轴子信号。”
“我们的搜索非常像大海捞针，因为我们通过数百万个不同的‘频率通道’收集能量，但是轴子只被期望在这些通道中的一个中贡献多余的能量，并且我们目前不知道是哪个
" 在射电望远镜数据中寻找轴子暗物质转换信号的一个关键挑战是，人们可能会遇到误导信号
事实上，陆地背景(例如
g
无线电通信、微波炉和地球上其他设备发出的信号)或其他天体物理现象发出的信号可能被误认为与中子星磁层中轴子暗物质转换有关的信号
为了应对这一挑战，并确保他们不会将其他信号误认为axion暗物质转换无线电信号，萨夫迪和他的同事使用了一系列策略
例如，由于真正的轴子暗物质转换信号只能在望远镜在给定时间观测到的区域被探测到，而地球信号在该区域和地球上都可以被观测到，所以当望远镜指向天空中的空白区域时，它们会迅速而连续地将望远镜从“开源”位置切换到“关源”位置
萨夫迪说:“我们还实施了复杂的数据分析技术，从数据本身过滤和‘学习’背景的属性。”
“将所有这些技术结合在一起，我们能够收集和分析数据，并得出结论，数据中不存在轴子的证据
这是一项非同小可的任务，但这意味着我们现在已经开发并演示了一个可用于未来研究的观察和分析框架
对我来说，这是这篇论文的主要意义
" 目前，轴子是最有希望的暗物质候选者之一，因此全世界无数的研究团队都在试图探测它们
虽然所有的搜索都不成功，但实验室轴子暗物质搜索，如华盛顿大学和世界其他大学进行的轴子暗物质实验(ADMX)，迄今为止取得了最有希望的结果
萨夫迪和他的同事最近进行的研究表明，基于射电望远镜数据的搜索在寻找轴子暗物质方面同样有价值
有趣的是，他们进行的研究是基于被称为“卤素灯”的实验室实验背后的一些相同的基本原理
卤素灯是一种实验策略，利用大的实验室磁场将轴子暗物质转换成可观测的电磁信号
根据理论预测，在这些磁场存在的情况下，轴子应该转换成电磁辐射，辐射的程度根据这些磁场的大小而变化
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场越大，轴子的电磁信号越大)
萨夫迪解释说:“尖端的实验室实验，如ADMX实验，利用了接近10特斯拉的磁场(注意，现代核磁共振仪的磁场强度通常约为1特斯拉)。”
“另一方面，中子星可以容纳1000亿特斯拉的磁场
此外，磁场在中子星周围延伸数百公里，而实验室实验可能只能将这些磁场维持在几分之一米的范围内
" 本质上，在他们的研究中，研究人员试图检测其他团队在实验室实验中试图检测的相同信号
然而，尽管在实验室实验中轴子-光子转换过程很少发生，并且产生的信号只能用复杂且屏蔽良好的仪器来探测，但在中子星周围的区域，同样的信号会被放大并变得剧烈
到目前为止，大多数物理学家已经选择在实验室里基于日晕仪进行暗物质搜索，因为在远离地球的区域产生的电磁信号仍然很难用现有的天文仪器观察到，因为它们随着距离而变暗
萨夫迪说:“我们的工作表明，对中子星的无线电观测可以与实验室搜索相媲美，并将在未来发现轴子暗物质粒子方面发挥重要作用。”
“我认为这是一个重要的发现，因为这意味着射电望远镜应该成为讨论轴子暗物质探测仪器的一部分
" 萨夫迪和他的同事最近的工作表明，射电望远镜对中子星的观测可能是探测轴子暗物质的一条有前途的途径
虽然他们无法探测到他们正在寻找的信号，但他们的搜索使研究人员能够对轴子暗物质的允许参数空间设置约束，达到略高于现有约束的程度
不幸的是，他们设置的约束的敏感度水平还不足以影响最著名的量子色动力学轴子模型
尽管如此，这项最近的研究作为一个原则的证明，并可能为使用不同数据或工具的类似搜索铺平道路
研究人员迄今探测的轴子暗物质质量范围(I
e
大约10微电子伏)是最终能够证实我们宇宙中暗物质丰度的范围
例如，在另一项研究中，萨夫迪和他的同事约书亚·W
福斯特和马尔特·布希曼估计，为了证实目前关于宇宙中普遍存在暗物质的预测，轴子的质量应该在10到40微电子伏之间
萨夫迪说:“这一预测确实对早期宇宙中轴子暗物质是如何产生的做出了假设，因此更复杂的产生机制有可能将轴子带到这个窗口之外，但我认为目前大约10—40微电子伏的轴子窗口是轴子最活跃的质量范围之一。”
“当我们的论文在这个质量范围内探测轴子时，我们的结果不够灵敏，不足以探测参数空间的最佳激励部分，即描述QCD轴子的区域
" 如果它们在实验中得到验证，QCD轴子理论模型可以揭示一些超越暗物质搜索的其他自然现象；例如，解释为什么中子在电场中不旋转
然而，这些模型预测的耦合发生率比萨夫迪和他的同事在最近的研究中使用的仪器敏感的程度低约10—100倍
因此，在未来，研究人员将理想地收集对量子色动力学模型预测的质量范围内的轴子敏感的更精确的观测结果
萨夫迪说:“既然我们知道我们的方法有效，我们将获得更多的数据，在更宽的频率范围内进行更深入的观察。”
“我们已经在计划未来与格林班克和埃弗斯伯格的观测，这将把我们的观测范围扩大到更高的频率
然而，为了明确探测QCD轴子，我们可能需要等待即将到来的平方公里阵列(SKA)望远镜阵列，这将是这次搜索的转型，因为它将给我们更多数量级的灵敏度
我们希望用SKA进行的搜索将导致轴子的发现，或者在没有发现的情况下，在缩小轴子的可能质量范围方面发挥重要作用
"
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