Efekty plazmonowe w magnetosferach gwiazd neutronowych mogą stanowić nowe ograniczenia dla wykrywania aksjonów

19 września 2025 roku funkcja

autorstwa Ingrid Fadelli, Phys.org

autor współpracujący

redakcja Sadie Harley, recenzja dokonana przez Roberta Egana

redaktor naukowy

redaktor współpracujący

Ten artykuł przeszedł proces redakcyjny i został zweryfikowany zgodnie z polityką działu Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, dbając o wiarygodność treści:

zweryfikowane faktami

publikacja poddana recenzji

wiarygodne źródło

skorygowane

Ciemna materia to nieuchwytny rodzaj materii, który nie emituje, nie odbija ani nie pochłania światła, a mimo to przewidywana jest jako stanowiąca większość masy we wszechświecie. Ponieważ nie może zostać wykryta i zbadana za pomocą konwencjonalnych technik eksperymentalnych, dotąd nie została odkryta natura i skład ciemnej materii.

Jednym z najbardziej obiecujących kandydatów na ciemną materię (tj. hipotetycznych cząstek, z których ciemna materia mogłaby być złożona) są aksjony. Teoria sugeruje, że aksjony mogą przekształcić się w lekkie cząstki (tj. fotony) w określonych warunkach, co z kolei może generować sygnały, które można odebrać za pomocą zaawansowanego sprzętu.

W silnych polach magnetycznych, takich jak te wokół gwiazd neutronowych o dużych polach magnetycznych (tj. magnetary), przewidziano, że konwersja aksjonów w fotony generuje słabe sygnały radiowe, które można wykryć za pomocą potężnych radioteleskopów na Ziemi lub w kosmosie.

Naukowcy z Instytutu Politechnicznego w Lizbonie i innych instytutów ostatnio pokazali, że niektóre z tych sygnałów radiowych mogą zostać utracone zanim przejdą przez przestrzeń z powodu interakcji między aksjonami a plazmą w magnetycznych magnetosferach magnetarów, regionach wokół gwiazd neutronowych, gdzie pola magnetyczne dominują.

Ich praca, opublikowana w Physical Review Letters, może wpłynąć na doskonalenie strategii mających na celu wykrycie aksjonów ciemnej materii za pomocą radioteleskopów.

'Nasze badanie zaczęło się od prostej rozmowy typu 'co gdy' z moimi współautorami,' powiedział Phys.org Hugo Terças, adiunkt na Instituto Superior de Engenharia de Lisboa i pierwszy autor pracy.

'Dyskutowaliśmy na temat tego, jak mogą oddziaływać aksjony z plazmonami, które są w zasadzie kolektywnymi 'falami' w plazmie. Kiedy zdałam sobie sprawę, że rozgrywać się może konwersacja między nimi, następnym logicznym krokiem było znalezienie idealnego miejsca we wszechświecie, gdzie to mogłoby mieć miejsce.'

Po dyskusji o możliwych warunkach, w jakich aksjony mogłyby oddziaływać z plazmą, badacze zidentyfikowali skrajne środowisko wokół magnetarów. Ten obszar w kosmosie, znany jako magnetosfera, ostatecznie zaoferował idealny scenariusz do przetestowania ich pomysłu.

'Wyobraźcie sobie, że poprzedni badacze wyczekiwali konkretnego dźwięku z odległej fletni (sygnału aksjonowego),' wyjaśnił Terças.

'Obliczyli, jak głośny ten dźwięk powinien być. Nasza praca odkryła, że fletnia ma wyciek. Zanim dźwięk do nas dotrze, trochę powietrza (tutaj aksjony) ucieka z tego wycieku do innego instrumentu, który jest wyciszony i nie można go usłyszeć (plazmony). Dlatego dźwięk, który próbujemy usłyszeć, jest o wiele ciszy niż ktokolwiek obliczył.'

W zasadzie Terças i jego koledzy przeprowadzili rozległą analizę mającą na celu zmierzenie zakresu, w jakim sygnały związane z konwersją aksjonów w fotony 'wyciekają' z powodu interakcji z plazmonami (tj. cząstkami plazmy).

Ich wyniki sugerują, że uwzględniając ten wyciek, sygnały podróżujące przez przestrzeń byłyby o wiele słabsze niż pierwotnie przewidywano, co oznacza, że radioteleskopy musiałyby być znacznie bardziej czułe, aby je odebrać.

Odkryj najnowsze informacje ze świata nauki, technologii i kosmosu z ponad 100 000 subskrybentów, którzy polegają na Phys.org codziennie. Zapisz się na nasz darmowy biuletyn i otrzymuj aktualizacje o przełomach, innowacjach i badaniach, które mają znaczenie—codziennie lub co tydzień.

'Uważam, że najbardziej ekscytującą częścią naszej pracy jest uniwersalność tego podstawowego mechanizmu,' powiedział Terças. 'Odkryliśmy to w ekstremalnym kontekście ciemnej materii i magnetarów, ale to fundamentalny proces, który pojawia się wszędzie w fizyce. Doskonałym przykładem jest badanie fuzji jądrowej, w reaktorach w kształcie donuta zwanych tokamakami.

'Naukowcy używają tego samego zasady do podgrzewania plazmy: wysyłają fale elektromagnetyczne, które przekształcają się w fale plazmowe i umieszczają swoją energię, podgrzewając układ. To ta sama fizyka!'

Ciekawie, efekt związany z interakcją plazmonową opisany przez badaczy może być również istotny dla innych tematów poza fizyką ciemnej materii. W rzeczywistości ich praca oferuje nowy model, który może kształtować zrozumienie konwersji energii w szerokim zakresie systemów fizycznych.

Nasze badanie pokazuje, jak fizyka fundamentalna łączy pozornie niepowiązane dziedziny - powiedział Terças. Naszym wielkim planem na przyszłe badania jest całkowite zmienienie podejścia. Obecnie poszukiwania za pomocą radioteleskopów są biernę - astronomowie czekają, aż odległa gwiazda wyśle nam sygnał. Chcemy przenieść się z bycia biernymi słuchaczami do roli aktywnych twórców. Jako część ich przyszłych prac, Terças i jego koledzy liczą również na pomyślne zrealizowanie aksionów w swoim laboratorium. Aby odnieść sukces w tym przedsięwzięciu, najpierw musieliby stworzyć rodzaj 'sztucznego' plazmy. 'Sztuczna' plazma to skonstruowany materiał, który imituje skrajne warunki magnetyczne magnetosfery magnetara, ale na powierzchni stołu - dodał Terças. "To pozwoli nam precyzyjnie dostroić środowisko i w istocie stworzyć doskonałe warunki do zachęcenia aksionów do pojawiania się poprzez ten mechanizm konwersji, którego odkryliśmy. To znacznie bardziej bezpośredni sposób na ich poszukiwanie.'' Napisane dla Ciebie przez naszą autorkę Ingrid Fadelli, edytowane przez Sadie Harley, oraz zweryfikowane i przejrzane przez Roberta Egana - ten artykuł jest wynikiem starannej pracy ludzkiej. Polegamy na czytelnikach takich jak Ty, aby utrzymać niezależną publicystykę naukową przy życiu. Jeśli ta relacja ma dla Ciebie znaczenie, proszę rozważ darowiznę (szczególnie miesięczną). Otrzymasz konto bez reklam jako podziękowanie. Więcej informacji: H. Terças et al, Resonansowa konwersja aksionów-plazmonów w magnetosferach gwiazd neutronowych, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/5hbb-yy48. Informacje o czasopiśmie: Physical Review Letters © 2025 Science X Network