Czy ciemna materia może zostać wykryta za pomocą radioteleskopów?

Ciemna materia, która nie emituje, nie absorbuje i nie odbija światła, nie może być bezpośrednio wykryta za pomocą konwencjonalnych teleskopów lub innych technologii obrazowania. Astrofizycy od dziesięcioleci próbują znaleźć alternatywne metody jej wykrycia.

Radioteleskopy i ciemna materia

.Naukowcy z Uniwersytetu Tsinghua i Uniwersytetu Pekińskiego przeprowadzili badanie dotyczące możliwość bezpośredniego wykrywania za pomocą radioteleskopów, ciemnej materii. Jak podaje phys.org – ich praca może pomóc w przyszłych poszukiwaniach ciemnych fotonów, które są hipotetycznymi cząstkami przenoszącymi oddziaływania ciemnej materii, podobnie jak fotony przenoszą elektromagnetyzm w normalnej materii.

„Nasza poprzednia praca badała konwersję ciemnych fotonów w zwykłe fotony w koronie słonecznej. Proces ten polega na wzbudzaniu wolnych elektronów przez ciemne pola fotonów, co prowadzi do emisji normalnych fotonów. Opierając się na tej pracy, rozważaliśmy wykorzystanie swobodnych elektronów w radioteleskopach do indukowania sygnałów elektromagnetycznych, a następnie wykorzystanie teleskopu FAST do poszukiwania takiego sygnału” – powiedział Haipeng An, jeden z naukowców, którzy przeprowadzili badanie.

Po tym, jak zaczęto badać wykorzystanie radioteleskopów do poszukiwania sygnałów elektromagnetycznych związanych z ciemnymi fotonami, astronomowie zdali sobie sprawę, że ze względu na nierelatywistyczną naturę ciemnej materii, reflektor w takich teleskopach musiałby być sferyczny, a odbiornik sygnału powinien być umieszczony w centrum tejże kuli.

Poszukiwanie ciemnych fotonów

.Istniejące radioteleskopy jak np. Five hundred meter Aperture Spherical Telescope (FAST) w Chinach, zostały zaprojektowane do obserwacji odległych sygnałów radiowych, dlatego kształt ich talerza jest paraboliczny, a odbiornik umieszczony w punkcie ogniskowania. Oznaczało to, że sygnały elektromagnetyczne indukowane przez ciemne fotony nie koncentrowały się w ich odbiorniku.

„Po tym jak to zrozumieliśmy, tymczasowo zrezygnowaliśmy z tego pomysłu” – wyjaśnił Haipeng An. „Później zostałem zaproszony do wygłoszenia wykładów na temat ciemnej materii w letniej szkole kosmologii, która odbyła się w ośrodku FAST, gdzie zapoznałem się ze szczegółami działania tamtejszego teleskopu. Dowiedziałem się, że odbiornik zawieszony nad talerzem może się poruszać, dzięki czemu teleskop może obserwować fale radiowe z różnych kierunków. Następnie wpadłem na pomysł, że chociaż fale elektromagnetyczne wywołane przez ciemne fotony ciemnej materii nie są skupione na odbiorniku, to pole elektromagnetyczne może tworzyć rozkład na szczycie talerza, a rozkład ten można dokładnie obliczyć teoretycznie”.

Zgodnie z późniejszymi teoretycznymi przewidywaniami, ruchomy odbiornik w radioteleskopach powinien być w stanie zbierać sygnały elektromagnetyczne w różnych lokalizacjach. Sygnały zebrane przez odbiornik można następnie porównać z rozkładami przewidywanymi przez teorię, co pomogłoby poprawić czułość teleskopów na sygnały indukowane przez ciemne fotony.

„Wraz z kolegami zaczęliśmy obliczać ten sygnał” – powiedział An. „Ku naszemu zaskoczeniu odkryliśmy, że nawet bez uwzględnienia rozkładu, przy niezwykłej czułości, a nawet przy fakcie, że sygnał ciemnej materii wywołany przez ciemne fotony nie jest skupiony na odbiorniku, czułość teleskopu FAST już przekroczyła ograniczenie kosmicznego promieniowania tła, co oznacza, że może on odkryć ciemną materię, jeśli ciemna materia składa się z ciemnych fotonów i znajduje się w odpowiednim regionie masy”.

Aby dokładniej ocenić wykonalność zaproponowanej przez siebie metody poszukiwania ciemnych fotonów, An i jego koledzy przeanalizowali również dane obserwacyjne zebrane przez radioteleskop FAST. Dane te zostały dostarczone przez profesora Xiaoyuana Huanga, który jest również współautorem badania.

„Przeanalizowaliśmy dane i nałożyliśmy najbardziej rygorystyczne ograniczenia na model w zakresie częstotliwości 1-1,5 GHz” – powiedział An. „Zdaliśmy sobie sprawę, że ciemna materia może indukować sygnały elektryczne na antenach dipolowych i że ze względu na nierelatywistyczną naturę możemy użyć technologii interferometrii w celu poprawy czułości urządzeń. Dlatego obliczamy potencjalną czułość teleskopu LOFAR i przyszłego teleskopu SKA i stwierdzamy, że oba mają potencjał do odkrywania ciemnych fotonów i ciemnej materii”.

Ciemna materia i kosmiczne promieniowanie tła

.Analizy przeprowadzone przez zespół badaczy sugerują, że radioteleskopy mogą potencjalnie umożliwić bezpośrednie wykrywanie ciemnych fotonów. Ich praca może zatem poszerzyć horyzonty w trwających poszukiwaniach ciemnych fotonów, w szczególności ultralekkich ciemnych fotonów.

„Na początku lat sześćdziesiątych XX wieku, naukowcy prowadząc badania w dziedzinie radioastronomii, natknęli się na nieoczekiwany szum tła o niskim poziomie. Szum ten został później potwierdzony jako kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, dostarczając ważnych dowodów jak wyglądała wczesna ekspansja wszechświata. Ciemne fotony wykazują podobne do fotonów oddziaływania elektromagnetyczne poprzez kinetyczne mieszanie się z klasycznymi fotonami. Co może świadczyć o tym, że mogą stanowić część rozproszonej we Wszechświecie ciemnej materii. Do tego ultralekkie ciemne fotony mogą wykazywać zachowanie podobne do kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. Uważnie nasłuchując za pomocą nowoczesnych radioteleskopów, można usłyszeć nieuchwytne szepty z tego ciemnego świata” – powiedział An.

Ultralekkie ciemne fotony mogą zachowywać się podobnie do ciemnych pól elektromagnetycznych o określonych częstotliwościach, a zespół badawczy wykazał, że można je potencjalnie wykryć za pomocą radioteleskopów, instrumentów powszechnie używanych do obserwacji kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. W przyszłości ich teoretyczne rozważania mogą pomóc w poszukiwaniach ciemnej materii fotonowej, które będą się opierać na obserwacjach radioteleskopowych na dużą skalę.

„Nasza praca może otworzyć nowy obszar w radioastronomii” – dodał An. „Planujemy teraz poszukiwanie sygnałów ciemnej materii w danych pozyskanych z teleskopów LOFAR i MeerKAT. Planujemy również zastosować ten pomysł do poszukiwania ciemnej materii aksjonowej, innego konkurencyjnego ultralekkiego kandydata na ciemną materię”.

Kosmiczna rywalizacja

.Zastępca dyrektora ds. rozwoju technologii i profesor w Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, Piotr ORLEAŃSKI, na łamach „Wszystko co Najważniejsze” twierdzi, że: „Rywalizacja związana jest przede wszystkim z kwestiami politycznymi. Oba państwa chcą jako pierwsze zbudować bazę na Księżycu lub krążącą wokół niego. Baza Gateway będzie stanowiła punkt przesiadkowy lub początkowy w misji na Marsa. Nasz naturalny satelita nie jest miejscem, gdzie znajdują się jakieś zasoby, i trudno mówić o jakimś jego ekonomicznym wykorzystaniu. Stanowi on głównie doskonałą bazę do eksperymentów naukowych oraz może być przystankiem w dalszych misjach.

„Program Artemis zaczął się wysłaniem orbitera księżycowego, który miał symulować lot z załogą. W jego ramach przetestowano nową rakietę opracowaną przez Amerykanów, czyli SLS, która jest następcą Saturna. Będzie ona w stanie wynieść elementy na orbitę Księżyca, a nawet dalej, w kierunku Marsa. Misja Artemis I przetestowała działanie kapsuły Orion, która będzie mogła wziąć udział w misji załogowej. Ten statek kosmiczny oddalił się od Ziemi na prawie 400 tys. km – to byłaby największa odległość, jaką udało się osiągnąć do tej pory statkowi załogowemu. W misji Artemis oprócz Stanów Zjednoczonych biorą udział również kraje europejskie, które dostarczyły wiele różnych rozwiązań technicznych. Misja ta jest przełomowa w porównaniu z misją Apollo. 50 lat temu na orbitę księżycową mogło dotrzeć tylko trzech ludzi. Kapsuła Orion projektowana jest dla czterech członków załogi i na dłuższy okres przebywania w kosmosie. Możemy spodziewać się, że lada moment Amerykanie znów postawią nogę na Księżycu, a w dalszej kolejności będzie budowany Gateway, czyli orbiter księżycowy, który będzie służył jako stacja przesiadkowa w programie marsjańskim” – pisze prof. Piotr ORLEAŃSKI w tekście „Kosmos coraz bliżej, także z Polakami”.

Oprac. Emil Gołoś