Plasmon effekter i neutronstjärnans magnetosfärer kan innebära nya begränsningar för upptäckten av axioner.

Den 19 september 2025 funktion av Ingrid Fadelli, Phys.org bidragande författare redigerad av Sadie Harley, granskad av Robert Egan vetenskaplig redaktör associerad redaktör Den här artikeln har granskats enligt Science X redaktionella process och policys. Redaktörerna har framhävt följande attribut samtidigt som de säkerställt innehållets trovärdighet: faktakontrollerad fackgranskad publikation pålitlig källa korrekturläsning Mörk materia är en undflyende typ av materia som varken emitterar, reflekterar eller absorberar ljus, men förutses stå för merparten av universums massa. Eftersom den inte kan detekteras och studeras med konventionella experimentella tekniker har naturen och sammansättningen av mörk materia ännu inte blivit avslöjade. En av de mest lovande mörk materia-kandidaterna (dvs hypotetiska partiklar som mörk materia kan bestå av) är axioner. Teorin föreslår att axioner kan omvandlas till ljuspartiklar (dvs fotoner) under specifika förhållanden, vilket i sin tur kan generera signaler som kan uppfattas av sofistikerad utrustning. I starka magnetfält, som de som omger neutronstjärnor med stora magnetfält (dvs magnetarer), har omvandlingen av axioner till fotoner förutspåtts generera svaga radiosignaler som skulle kunna detekteras med kraftfulla jordbaserade eller rymdbaserade radioteleskop. Forskare vid Polytechnic Institute of Lisbon och andra institut visade nyligen att vissa av dessa radiosignaler skulle kunna gå förlorade innan de reser genom rymden på grund av interaktioner mellan axioner och plasma i magnetarernas magnetosfärer, regioner runt neutronstjärnor där magnetfälten dominerar. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters, kan bidra till förfiningen av strategier som syftar till att upptäcka mörk materia-axioner med hjälp av radioteleskop. "Vår studie började från ett enkelt 'tänk om'-samtal med mina medförfattare," berättade Hugo Terças, biträdande professor vid Instituto Superior de Engenharia de Lisboa och försteförfattare till artikeln, för Phys.org. "Vi diskuterade idéer om hur axioner skulle kunna interagera med plasmoner, som i grunden är kollektiva 'vågor' i ett plasma. När vi insåg att en konversation 'kunde' ske mellan dem var nästa logiska steg att hitta den perfekta platsen i universum där detta kunde utspela sig." Efter att ha debatterat möjliga villkor där axioner skulle kunna interagera med plasma identifierade forskarna den extrema miljö som förväntades omge magnetarer. Denna region i rymden, känd som magnetosfären, erbjöd slutligen ett idealiskt scenario där de kunde testa sin idé. "Tänk dig att tidigare forskare lyssnade efter en specifik ton från en avlägsen flöjt (axionsignalen)," förklarade Terças. "De räknade ut hur hög den tonen skulle vara. Vårt arbete upptäckte att flöjten har ett läckage. Innan ljudet någonsin når oss, flyr en del av luften (här, axionerna) genom detta läckage in i en annan tystad instrument som inte kan höras (plasmonerna). Så den ton vi försöker höra är mycket tystare än vad någon beräknade." I grunden genomförde Terças och hans kollegor en omfattande analys för att mäta i vilken utsträckning signalerna associerade med omvandlingen av axioner till fotoner skulle "läcka" på grund av interaktioner med plasmoner (dvs plasmapartiklar). Deras resultat antyder att när man tar hänsyn till detta läckage skulle signalerna som färdas genom rymden vara mycket svagare än ursprungligen förutsett, vilket innebär att radioteleskop skulle behöva vara mycket känsligare än de är nu för att uppfatta dem. Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Anmäl dig till vårt gratis nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något – dagligen eller veckovis. "Jag tror att den mest spännande delen av vårt arbete är hur universell denna underliggande mekanism är," sa Terças. "Vi upptäckte den i den extrema kontexten av mörk materia och magnetarer, men det är en grundläggande process som dyker upp överallt inom fysiken. Ett perfekt exempel är inom forskning om kärnfusion, i donutformade reaktorer kallade tokamaker. Forskare använder exakt samma princip för att värma upp plasma: de sänder in elektromagnetiska vågor, som omvandlas till plasmavågor och deponerar sin energi, vilket värmer upp systemet. Det är samma fysik!" Intressant nog kan effekten av plasmoninteraktion som beskrivs av forskarna också vara relevant för andra ämnen bortom mörk materiafysik. I själva verket erbjuder deras artikel en ny ram som kan forma förståelsen av energiomvandling över ett brett spektrum av fysiska system.'Vår studie visar hur grundläggande fysik kopplar samman till synes orelaterade områden,' sade Terças. 'Vår stora plan för framtida forskning är att vända på situationen helt. Just nu är sökandet med radioteleskop passivt - astronomerna väntar på att en avlägsen stjärna ska skicka oss en signal. Vi vill gå från att vara passiva lyssnare till aktiva skapare.' Som en del av deras framtida arbete hoppas Terças och hans kollegor också lyckas realisera axioner inuti sitt laboratorium. För att lyckas med detta företag skulle de först behöva skapa en slags 'syntetisk' plasma. 'En 'syntetisk' plasma är ett konstruerat material som efterliknar de extrema förhållandena i en magnetars magnetosfär men på ett bord,' tillade Terças. 'Detta skulle låta oss finjustera miljön och i princip skapa de perfekta förhållandena för att lura fram axioner genom den konverteringsmekanism vi har upptäckt. Det är ett mycket mer direkt sätt att jaga dem.' Skriven för dig av vår författare Ingrid Fadelli, redigerad av Sadie Harley, och faktagranskad av Robert Egan - den här artikeln är resultatet av noggrant mänskligt arbete. Vi förlitar oss på läsare som du för att hålla oberoende vetenskapsjournalistik vid liv. Om denna rapportering betyder något för dig, vänligen överväga en donation (särskilt månatlig). Du kommer att få ett annonseringsfritt konto som tack. Mer information: H. Terças et al, Resonant Axion-Plasmon Conversion in Neutron Star Magnetospheres, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/5hbb-yy48. Tidskriftsinformation: Physical Review Letters © 2025 Science X Network.