暗光子暗物质可以用射电望远镜直接探测到吗

暗物质，即宇宙中不发射、吸收或反射光的物质，不能用传统的望远镜或其他成像技术直接探测到。因此，几十年来，天体物理学家一直试图寻找探测暗物质的替代方法。

清华大学、紫金山天文台和北京大学的研究人员最近进行了一项研究，探索使用射电望远镜直接探测暗光子(突出的暗物质候选者)的可能性。他们的论文发表在《物理评论快报》上，可以为未来寻找暗光子提供信息，暗光子是假设的粒子，会在暗物质中携带力，类似于光子在正常物质中携带电磁力的方式。

"我们之前的工作研究了太阳日冕中暗光子转化为光子，“进行这项研究的研究人员之一Haipeng An告诉 Phys.org。

“这个过程涉及暗光子场激发自由电子，导致正常光子的发射。在这项工作的基础上，贾和我考虑使用碟形望远镜中的自由电子来诱导电磁信号，然后使用FAST望远镜搜索搜索这样的信号。

不久之后，他们开始探索使用碟形望远镜来搜索与暗光子相关的电磁信号，安和他的同事意识到，由于暗物质的非相对论性质，这种望远镜中的反射器需要是球形的，信号的接收器应该放在这个球体的中心。

然而，现有的碟形射电望远镜，如中国的五百米口径球面射电望远镜(FAST)，设计用于观测远程无线电信号，因此它们的碟形是抛物线形的，接收器放置在焦点上。

这意味着由暗光子引起的电磁信号不会集中在它们的接收器上。

“在意识到这一点之后，我们暂时放弃了这个想法，”安解释说。“2021年夏天，我受邀在FAST站点举行的UFITS宇宙学暑期学校讲授暗物质，在那里我研究了FAST望远镜如何工作的细节。我了解到悬挂在碟形天线上方的接收器可以四处移动，以便望远镜可以观察来自不同方向的无线电波。然后我提出了一个想法，虽然暗光子暗物质诱导的电磁波没有聚焦在接收器上，但电磁场可以在碟子顶部形成分布，并且这种分布可以在理论上准确计算。

根据安随后的理论预测，射电望远镜中的可移动接收器应该能够收集不同位置的电磁信号。然后可以将接收器收集的信号与理论预测的分布进行比较，这将有助于提高望远镜对暗光子诱导信号的灵敏度。

“然后，我们和同事一起开始计算这个信号，”安说。“令我们惊讶的是，我们发现，即使不考虑分布，具有非凡的灵敏度，即使暗光子暗物质诱导信号没有聚焦在接收器上，FAST望远镜的灵敏度也已经超过了CMB约束，这意味着如果暗物质由暗光子组成并且处于正确的质量区域，FAST望远镜可以发现暗物质。

为了进一步评估他们提出的寻找暗光子的方法的可行性，An和他的同事还分析了FAST射电望远镜收集的观测数据，该望远镜位于中国贵州省山区的一个村庄。这些数据由黄晓媛教授提供，他也是最近论文的合著者。

“我们分析了数据，并在1-1.5 GHz频率范围内对模型进行了最严格的限制，”An说。“我们意识到暗光子暗物质可以在偶极子天线上诱导电信号，并且由于非相对论性质，我们可以使用干涉测量技术来提高灵敏度，因此，我们计算了LOFAR望远镜和未来SKA望远镜的潜在灵敏度，发现它们都有发现暗光子暗物质的潜力。

总体而言，这组研究人员进行的分析表明，射电望远镜有可能直接探测暗光子。因此，他们的工作可以拓宽对暗光子的持续寻找，特别是超轻暗光子的视野。

“在1960年代初期，在进行射电天文学研究时，彭齐亚斯和威尔逊偶然发现了一种意想不到的低水平背景噪音，”安说。“这种噪声后来被证实是宇宙微波背景辐射，为宇宙早期的热膨胀提供了重要证据。超轻暗光子通过与光子的动力学混合表现出类似光子的电磁相互作用。作为宇宙中漫射暗物质的候选者，超轻暗光子可以表现出类似于宇宙微波背景辐射的行为。通过用现代射电望远镜仔细聆听，可以听到来自黑暗世界的难以捉摸的窃窃私语。

超轻暗光子的行为类似于具有特定频率的暗电磁场，该研究小组表明，它有可能被射电望远镜探测到，射电望远镜通常用于观察宇宙微波背景的仪器。在未来，他们的理论考虑可以为依赖大规模射电望远镜观测的暗光子暗物质搜索提供信息。

“我们的工作可能会在射电天文学中开辟一个新的子领域，”安补充说。“我们现在计划在LOFAR和MeerKAT望远镜的数据中寻找暗光子暗物质信号。我们还计划应用这个想法来寻找轴子暗物质，这是另一个有竞争力的超轻暗物质候选者。

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