Selon les prédictions théoriques, la matière noire de l'axion pourrait être convertie en rayonnement électromagnétique radiofréquence lorsqu'elle s'approche des champs magnétiques puissants qui entourent les étoiles à neutrons. Cette signature radio, qui se caractériserait par un pic spectral ultra-étroit à une fréquence qui dépend de la masse de la particule axionique de matière noire considérée, peuvent être détectés à l'aide d'instruments astronomiques de haute précision.

Des chercheurs de l'Université du Michigan, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, et d'autres instituts dans le monde ont récemment effectué une recherche de traces de cette conversion de matière noire axionique dans les données recueillies par deux puissants télescopes, le télescope Green Bank (GBT) et le télescope Effelsberg. Leur étude était basée sur leurs efforts de recherche antérieurs et leurs prédictions théoriques, dont le dernier en date est un article publié en 2018.

"L'idée proposée dans nos travaux antérieurs et étoffée dans de nombreuses publications ultérieures de toute la communauté, est que la matière noire des axions peut se convertir en émission radio à bande étroite dans les champs magnétiques puissants entourant les étoiles à neutrons, " Benjamin R. Safdi, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Toutefois, ces travaux plus anciens sont purement théoriques et impliquent des spéculations sur la façon dont un signal pourrait réellement être trouvé en présence de données de télescope bruitées du monde réel. Naturellement, il y a un certain scepticisme quant à la faisabilité d'une telle recherche."

Pour effectuer leur recherche, Safdi et ses collègues ont d'abord acquis un grand nombre de données pertinentes collectées à l'aide de radiotélescopes. Ils ont collecté ces données à l'aide du GBT et du radiotélescope Effelsberg, deux des plus grands radiotélescopes au monde situés en Virginie-Occidentale (États-Unis) et dans les collines d'Ahr (Allemagne), respectivement.

Les chercheurs ont pointé ces deux télescopes vers une variété de cibles dans la Voie lactée et d'autres galaxies proches. Celles-ci comprenaient des étoiles à neutrons assez proches du soleil, ainsi que d'autres régions du ciel qui sont connues pour héberger de nombreuses étoiles à neutrons (par exemple, vers le centre de notre galaxie). Ils ont ensuite enregistré la puissance mesurée par le télescope sur une gamme de fréquences. Un signal associé à la conversion de la matière noire axionique provoquerait un excès de puissance dans un seul canal de fréquence.

« Nous avons ensuite développé et mis en œuvre des techniques de prise de données et d'analyse nouvelles et sophistiquées afin de séparer un signal d'axion putatif des arrière-plans de confusion, " a déclaré Safdi. "Notre recherche ressemble beaucoup à la recherche d'une aiguille dans une botte de foin, dans le sens où nous collectons de l'énergie sur des millions de « canaux de fréquence » différents, mais on s'attend à ce que l'axion contribue uniquement à l'excès de puissance dans l'un de ces canaux, et nous ne savons pas actuellement lequel."

Un défi clé associé à la recherche de signatures de conversion de matière noire axion dans les données de radiotélescope est que l'on peut également rencontrer des signaux trompeurs. En réalité, arrière-plan terrestre (par exemple, signaux émis par les radiocommunications, fours à micro-ondes et autres équipements sur terre) ou des signaux émis par d'autres phénomènes astrophysiques pourraient être confondus avec les signaux associés à la conversion de la matière noire des axions dans les magnétosphères des étoiles à neutrons.

Pour relever ce défi et s'assurer qu'ils n'ont pas confondu d'autres signaux avec des signatures radio de conversion de matière noire axion, Safdi et ses collègues ont utilisé une série de stratégies. Par exemple, comme les vrais signaux de conversion de matière noire d'axions ne seraient détectés que dans la région que le télescope observe à un moment donné, tandis que les signaux terrestres seraient observés à la fois dans cette région et sur Terre, ils ont rapidement et continuellement basculé le télescope d'emplacements "sur la source" à "hors source" alors qu'il pointait vers des zones vides dans le ciel.

« Nous avons également mis en œuvre des techniques d'analyse de données sophistiquées pour filtrer et « apprendre » les propriétés de l'arrière-plan à partir des données elles-mêmes, " a déclaré Safdi. "En combinant toutes ces techniques, nous avons pu collecter et analyser des données et conclure, en définitive, qu'aucune preuve d'axions n'est présente dans les données. C'était une tâche non triviale, mais cela signifie que nous avons maintenant développé et démontré un cadre d'observation et d'analyse qui peut être utilisé dans des études futures. Cette, tome, est la signification principale du papier.

Actuellement, les axions sont parmi les candidats à la matière noire les plus prometteurs, ainsi, d'innombrables équipes de recherche dans le monde tentent de les détecter. Bien que toutes les recherches aient été infructueuses, recherches de matière noire axion en laboratoire, comme l'expérience Axion sur la matière noire (ADMX) menée à l'Université de Washington et dans d'autres universités du monde entier, ont obtenu jusqu'à présent les résultats les plus prometteurs.

L'étude récente menée par Safdi et ses collègues suggère que les recherches basées sur les données du radiotélescope pourraient être tout aussi précieuses dans la recherche de la matière noire des axions. De façon intéressante, la recherche qu'ils ont menée est basée sur certains des mêmes principes fondamentaux derrière les expériences de laboratoire connues sous le nom d'« haloscopes ».

Les haloscopes sont des stratégies expérimentales pour convertir la matière noire des axions en signaux électromagnétiques observables en utilisant de grands champs magnétiques de laboratoire. Selon les prédictions théoriques, en présence de ces champs magnétiques, les axions doivent se transformer en rayonnement électromagnétique, avec l'étendue de ce rayonnement variant selon la taille de ces champs (c'est-à-dire, plus un champ est grand, plus la signature électromagnétique d'un axion est grande).

« Des expériences de laboratoire de pointe, comme l'expérience ADMX, utiliser des champs magnétiques approchant ~ 10 Tesla (notez que les forces du champ magnétique dans un appareil d'IRM moderne sont d'environ ~ 1 Tesla, typiquement), " expliqua Safdi. " Les étoiles à neutrons, d'autre part, peut héberger des champs magnétiques aussi grands que 100 milliards de Tesla. De plus, les champs magnétiques s'étendent sur des centaines de kilomètres autour des étoiles à neutrons, alors qu'une expérience en laboratoire pourrait ne maintenir ces champs que sur une fraction de mètre. »

Essentiellement, dans leur recherche, les chercheurs essayaient de détecter les mêmes signaux que d'autres équipes ont essayé de détecter dans des expériences de laboratoire. Cependant, alors que dans les expériences de laboratoire, le processus de conversion axion-photon serait rare et le signal résultant ne serait détecté qu'à l'aide d'instruments sophistiqués et bien blindés, dans les zones entourant une étoile à neutrons, le même signal serait amplifié et violent. Jusque là, la plupart des physiciens ont choisi de mener des recherches de matière noire à partir d'haloscopes en laboratoire car les signaux électromagnétiques produits dans des régions éloignées de la Terre sont encore difficiles à observer avec les instruments astronomiques existants, car ils s'estompent avec la distance.

"Nos travaux montrent que les observations radio des étoiles à neutrons peuvent rivaliser avec les recherches en laboratoire et joueront un rôle important à l'avenir dans la découverte des particules de matière noire axioniques, " a déclaré Safdi. "Je pense que c'est une idée importante car cela signifie que les radiotélescopes devraient faire partie des conversations sur l'instrumentation pour la détection de la matière noire axionique."

Les travaux récents de Safdi et de ses collègues suggèrent que les observations par radiotélescope d'étoiles à neutrons pourraient être une voie prometteuse vers la détection de la matière noire des axions. Alors qu'ils étaient incapables de détecter les signaux qu'ils recherchaient, leur recherche a permis aux chercheurs de définir des contraintes sur l'espace de paramètres admissible de la matière noire axionique, dépassant légèrement les contraintes existantes.

Malheureusement, le niveau de sensibilité des contraintes qu'ils fixent n'est pas assez élevé pour que leurs découvertes affectent les modèles d'axions de chromodynamique quantique (QCD) les plus renommés. Néanmoins, cette étude récente sert de preuve de principe et pourrait ouvrir la voie à des recherches similaires utilisant des données ou des instruments différents.

La gamme de masse de matière noire des axions que les chercheurs ont sondé jusqu'à présent (c'est-à-dire, environ 10 micro-eV) est la plage qui pourrait finalement confirmer l'abondance de matière noire dans notre univers. Par exemple, dans une autre étude, Safdi et ses collègues Joshua W. Foster et Malte Buschmann ont estimé qu'afin de confirmer les prédictions actuelles sur la prévalence de la matière noire dans l'univers, la masse des axions doit être comprise entre 10 et 40 micro-eV.

"Cette prédiction fait des hypothèses sur la façon dont, exactement, la matière noire axion est produite dans l'univers primitif, il est donc possible que des mécanismes de production plus compliqués soient en jeu qui amèneraient l'axion en dehors de cette fenêtre, mais je pense qu'à l'heure actuelle la fenêtre d'axion ~10-40 micro-eV est l'une des plages de masse les plus motivées pour l'axion, " a déclaré Safdi. " Pendant que notre papier sonde les axions dans cette gamme de masse, nos résultats ne sont pas assez sensibles pour sonder la partie la mieux motivée de l'espace des paramètres, qui est la région décrivant l'axion QCD."

S'ils ont été validés expérimentalement, Les modèles théoriques d'axions QCD pourraient éclairer un certain nombre d'autres phénomènes naturels qui dépassent la recherche de la matière noire; par exemple, expliquant pourquoi les neutrons ne tournent pas dans les champs électriques. Ces modèles, cependant, prédire l'occurrence de couplages d'un facteur ~10 à 100 inférieurs à ceux auxquels les instruments utilisés dans la récente étude de Safdi et ses collègues étaient sensibles. À l'avenir, les chercheurs souhaiteraient donc idéalement recueillir des observations plus précises et sensibles aux axions dans la gamme de masse prédite par les modèles QCD.

"Maintenant que nous savons que notre méthode fonctionne, nous allons acquérir beaucoup plus de données, avec des observations plus approfondies sur une plus large gamme de fréquences, " a déclaré Safdi. "Nous prévoyons déjà de futures observations avec Green Bank et Effelsberg qui étendront notre portée à des fréquences plus élevées. Pour sonder définitivement l'axion QCD, cependant, nous devrons peut-être attendre le prochain réseau de télescopes Square Kilometer Array (SKA), ce qui sera transformationnel pour cette recherche car cela nous donnera des ordres de grandeur plus de sensibilité. Nous espérons que les recherches avec SKA mèneront à la découverte de l'axion ou, en l'absence de découverte, jouent un rôle important dans la réduction de la plage de masse possible des axions. »

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