研究人员发现，中子星周围1000亿特斯拉的磁场让暗物质原形毕露

根据理论预测，“轴子暗物质”在接近中子星周围的强磁场时，可能会转化为射频电磁辐射。这种无线电信号，其特征将是一个非常尖的光谱峰，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检测到。

密歇根大学、伊利诺伊大学香槟分校和世界各地其他研究所的研究人员最近在绿河岸望远镜（GBT）和埃费尔斯伯格望远镜收集的数据中，对这种轴离子暗物质转换的痕迹进行了搜索。他们的研究是基于之前的研究成果和理论预测，最新的一篇论文发表于2018年。

”我们在早期的工作中提出了这个想法，即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。“研究人员萨夫迪说。然而，这些较早的工作都是纯理论的，并且望远镜数据中夹杂着很多干扰噪音，可以理解的是，人们对这种搜索的可行性存在一些怀疑。

为了进行研究，萨夫迪和他的同事们首先用射电望远镜收集了大量相关数据。他们使用绿河岸望远镜和埃费尔斯伯格射电望远镜收集这些数据，这是世界上最大的两个射电望远镜，分别位于西弗吉尼亚（美国）和德国。

研究人员将这两台望远镜对准了银河系和其他附近星系中的各种目标。这些区域包括相当接近太阳的中子星，以及天空中已知拥有大量中子星的其他区域（例如，朝向银河系中心的区域）。然后，他们记录了该望远镜在一定频率范围内测量的功率。与轴子暗物质转换相关的信号会导致单频通道的功率过剩。

研究人员还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。他们的搜寻工作就像大海捞针，通过数百万个不同的‘频率频道’收集能量，但这个轴星只会在其中一个频道显示出多余的能量，目前还不知道是哪个频道。

在射电望远镜数据中寻找轴子暗物质转换特征的一个关键挑战是误导信号。事实上，地球的背景（例如无线电通讯、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会被误认为中子星磁珠中轴子暗物质转换的信号。

为了应对这一挑战，并确保他们不会将其他信号误认为是轴子暗物质转换无线电信号，萨夫迪和他的同事们采用了一系列策略。例如，真正的轴子暗物质转换信号只能在特定时间在望远镜所观测的区域被探测到。

研究人员还采用了复杂的数据分析技术，从数据本身中过滤和‘学习’背景的属性。将所有这些技术结合在一起，能够收集和分析数据，并得出结论，没有证据表明轴子存在于数据中。但这意味着我们现在已经开发并演示了一个可以在未来研究中使用的观察和分析框架，这就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，因此世界各地无数的研究团队都在尝试探测它们。如华盛顿大学和世界其他大学进行的轴子暗物质实验（ADMX），迄今为止已经取得了最有希望的结果。

基于射电望远镜数据的搜索对于寻找轴子暗物质同样有价值。有趣的是，他们所进行的搜寻是基于一些与实验室实验相同的基本原理，这些实验被称为“光度计”。

光度计是一种利用实验室大磁场将轴子暗物质转换为可观测电磁信号的实验策略。根据理论预测，在这些磁场存在的情况下，轴子会转化为电磁辐射，而电磁辐射的程度会随着磁场的大小而变化（即磁场越大，轴子的电磁信号越大）。

先进的实验室实验（比如ADMX实验）利用接近10特斯拉的磁场（现代MRI机器的磁场强度通常约为1特斯拉)。另一方面，中子星可以拥有相当于1000亿特斯拉的磁场。此外，磁场在中子星周围延伸了数百公里，而实验室实验可能只能维持一米多的范围。

从本质上说，在他们的研究中，研究人员试图检测到其他团队在实验室实验中试图检测到的信号。然而，虽然在实验室实验中，这种“轴子-光子”转换过程是罕见的，而且产生的信号只能通过精密的和屏蔽良好的仪器才能探测到，但在中子星周围的区域，同样的信号会被放大。到目前为止，大多数物理学家选择在实验室的测晕仪上进行暗物质搜索，因为在远离地球的地区产生的电磁信号随着距离的增加而变弱，使用现有的天文仪器仍难以观测到。

对中子星的射电观测可以与实验室的搜索相匹敌，并且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探测轴子暗物质的仪器讨论的一部分。

不幸的是，他们设定的约束的敏感性水平还不够高，不足以影响最著名的量子色动力学（QCD）轴子模型。尽管如此，这项最近的研究可以作为原理的证明，并为使用不同数据进行类似的搜索铺平道路。

到目前为止，研究人员探测到的轴子暗物质质量范围是最终可以确认我们宇宙中暗物质的丰度的范围。例如，在另一项研究中表明，为了证实宇宙中暗物质的普遍存在，轴子的质量应该在10到40微电子伏特之间。

如果它们在实验中被证实，QCD轴子理论模型将会为一些其他的自然现象提供一些线索，这些现象超出了对暗物质的研究。例如，解释为什么中子在电场中不旋转。在未来，研究人员希望能在量子力学模型预测的质量范围内收集到对轴子敏感的更精确的观测结果。

萨夫迪说：“现在我们知道我们的方法是有效的，我们将获得更多的数据，在更广的频率范围内进行更深入的观察。”然而，要确定地探测QCD轴离子，我们可能需要等待即将到来的SKA望远镜阵列，因为它将给我们带来数量级的更高灵敏度。我们希望通过SKA的研究能够发现轴子，或者在没有发现的情况下，在缩小轴子可能的质量范围方面发挥重要作用。