A matéria escura, matéria do universo que não emite, absorve ou reflete luz, não pode ser detectada diretamente por telescópios convencionais ou outras tecnologias de imagem. Os astrofísicos têm tentado identificar métodos alternativos para detectar a matéria escura por décadas.
Pesquisadores da Universidade de Tsinghua, do Observatório da Montanha Púrpura e da Universidade de Pequim realizaram recentemente um estudo explorando a possibilidade de detectar diretamente fótons escuros, candidatos proeminentes à matéria escura, usando radiotelescópios. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters, pode informar futuras pesquisas por fótons escuros, que são partículas hipotéticas que carregariam uma força na matéria escura, da mesma forma que os fótons carregam o eletromagnetismo na matéria normal.
“Nosso trabalho anterior estudou a conversão de fótons escuros em fótons na coroa solar”, disse Haipeng An, um dos pesquisadores que realizou o estudo, à Phys.org.
“Esse processo envolve a excitação de elétrons livres por campos de fótons escuros, levando à emissão de fótons normais. Com base nesse trabalho, Jia e eu consideramos usar os elétrons livres em um telescópio côncavo para induzir sinais eletromagnéticos e, em seguida, usar o telescópio FAST para procure por procure tal sinal.”
Logo depois, eles começaram a explorar o uso de telescópios para procurar sinais eletromagnéticos relacionados a fótons escuros. An e seus colegas perceberam que, devido à natureza não relativística da matéria escura, o refletor em tais telescópios precisaria ser esférico e o receptor do sinal deve ser colocado no centro desta esfera.
Os radiotelescópios parabólicos existentes, no entanto, como o radiotelescópio esférico de abertura de quinhentos metros (FAST) na China, são projetados para observar sinais de rádio remotos, portanto, a forma de seu prato é parabólica, com o receptor colocado no ponto de foco.
Isso significava que os sinais eletromagnéticos induzidos por fótons escuros não se concentrariam em seu receptor.
“Depois dessa percepção, desistimos temporariamente dessa ideia”, explicou An. “No verão de 2021, fui convidado para dar palestras sobre matéria escura na escola de verão de cosmologia da UFITS realizada no site FAST, onde estudei os detalhes de como o telescópio FAST funciona. Aprendi que o receptor suspenso acima do prato poderia se mover de tal forma que o telescópio pudesse observar as ondas de rádio de diferentes direções. Então, tive a ideia de que, embora as ondas EM induzidas pela matéria escura dos fótons escuros não estejam focadas no receptor, o campo EM pode formar uma distribuição no topo o prato, e esta distribuição pode ser calculada com precisão teoricamente.”
De acordo com as previsões teóricas subsequentes de An, o receptor móvel em radiotelescópios deveria ser capaz de coletar sinais eletromagnéticos em diferentes locais. Os sinais coletados pelo receptor poderiam então ser comparados com as distribuições previstas pela teoria, o que ajudaria a melhorar a sensibilidade dos telescópios aos sinais induzidos por fótons escuros.
“Com nossos colegas, começamos a calcular esse sinal”, disse An. “Para nossa surpresa, descobrimos que mesmo sem considerar a distribuição, com a sensibilidade extraordinária, mesmo com o fato de que o sinal induzido pela matéria escura do fóton escuro não é focado no receptor, a sensibilidade do telescópio FAST já ultrapassou a restrição CMB , o que significa que o telescópio FAST pode descobrir a matéria escura se a matéria escura for composta por fótons escuros e estiver na região de massa certa.”
Para avaliar ainda mais a viabilidade do método proposto para procurar fótons escuros, An e seus colegas também analisaram dados de observação coletados pelo radiotelescópio FAST, localizado em uma vila nas montanhas da região de Guizhou, na China. Esses dados foram fornecidos pelo Prof. Xiaoyuan Huang, que também é coautor do artigo recente.
“Analisamos os dados e colocamos o limite mais rigoroso no modelo na faixa de frequência de 1 a 1,5 GHz”, disse An. “Percebemos que a matéria escura de fótons escuros poderia induzir sinais elétricos em antenas dipolo e que, devido à natureza não relativística, poderíamos usar a tecnologia de interferometria para melhorar a sensibilidade. Portanto, calculamos a sensibilidade potencial do telescópio LOFAR e do futuro SKA telescópio e descobrir que ambos têm o potencial de descobrir a matéria escura de fótons escuros.”
No geral, as análises conduzidas por esta equipe de pesquisadores sugerem que os radiotelescópios poderiam permitir a detecção direta de fótons escuros. Seu trabalho poderia, assim, ampliar os horizontes na busca contínua por fótons escuros, particularmente fótons escuros ultraleves.
“No início dos anos 1960, enquanto realizavam pesquisas em radioastronomia, Penzias e Wilson se depararam com um inesperado ruído de fundo de baixo nível”, disse An. “Mais tarde, foi confirmado que esse ruído era a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, fornecendo evidências importantes para a expansão inicial quente do universo. Fótons escuros ultraleves exibem interações eletromagnéticas semelhantes a fótons por meio da mistura cinética com fótons. no universo, os fótons escuros ultraleves podem exibir um comportamento semelhante ao da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Ao ouvir atentamente com radiotelescópios modernos, sussurros indescritíveis do mundo escuro podem ser ouvidos.”
Os fótons escuros ultraleves podem se comportar de maneira semelhante aos campos eletromagnéticos escuros com frequências específicas, e esta equipe de pesquisa mostrou que eles poderiam ser detectados usando radiotelescópios, instrumentos comumente usados para observar o fundo cósmico de micro-ondas. No futuro, suas considerações teóricas poderiam informar as buscas por matéria escura de fótons escuros que dependem de observações de radiotelescópios em larga escala.
“Nosso trabalho pode abrir uma nova subárea na radioastronomia”, acrescentou An. “Agora planejamos procurar sinais de matéria escura de fótons escuros nos dados dos telescópios LOFAR e MeerKAT. Também planejamos aplicar essa ideia para procurar matéria escura de áxion, outro candidato competitivo de matéria escura ultraleve.”
Publicado em 30/05/2023 10h46
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