به گزارش اطلاعات آنلاین به نقل از ساینس دیلی، ماده تاریک یکی از بزرگترین اسرار حل نشده در فیزیک مدرن است. ستاره شناسان به شدت از وجود آن اطمینان دارند و تخمین می‌زنند که حدود یک چهارم از کل محتوای انرژی جهان را تشکیل می‌دهد اما هنوز نمی‌دانند از چه چیزی ساخته شده است.

دانشمندان از میدان مغناطیسی و جو زمین به عنوان یک آشکارساز به اندازه سیاره برای جستجوی برخی از سبک‌ترین اشکال پیشنهادی ماده تاریک استفاده کردند. این رویکرد به طور چشمگیری محدودیت‌های مربوط به اکسیون‌های فوق سبک را بهبود بخشید و چندین سیگنال فوتون تاریک جذاب را کشف کرد که هنوز نیاز به توضیح دارند.

دو احتمال اصلی، ذرات فرضی معروف به اکسیون‌های فوق سبک و فوتون‌های تاریک هستند. در محدوده جرمی که توسط محققان بررسی شده است، این ذرات فوق‌العاده سبک خواهند بود، تقریباً ۱۹ تا ۲۱ مرتبه از یک الکترون سبک‌تر.

تبدیل زمین به یک آشکارساز غول‌پیکر ماده تاریک

بسیاری از آزمایش‌های سنتی اکسیون سعی می‌کنند اکسیون‌ها را با قرار دادن آنها در معرض میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی در داخل آزمایشگاه‌ها به فوتون تبدیل کنند. چالش، مقیاس است. حتی آهنرباهای آزمایشگاهی قدرتمند نیز فقط می‌توانند یک منطقه نسبتاً کوچک را پوشش دهند.

محققان دانشگاه کیوتو، دانشگاه هیروشیما و دانشگاه نیهون راهی برای دور زدن این محدودیت یافتند. آنها به جای تکیه صرف بر تجهیزات آزمایشگاهی، این سوال را مطرح کردند که آیا می‌توان از محیط مغناطیسی خود زمین به عنوان بخشی از آزمایش استفاده کرد.

«آتسوشی تارویا»، محقق اصلی می‌گوید: «ما از خودمان پرسیدیم که آیا می‌توانیم از خود زمین به عنوان یک آشکارساز غول‌پیکر در جستجو استفاده کنیم. حفره‌ی یونوسفر زمین به عنوان یک تشدیدگر طبیعی عمل می‌کند که امواج الکترومغناطیسی را درست در محدوده‌ی جرمی که می‌خواستیم بررسی کنیم، تقویت می‌کند.»

ناحیه‌ بین سطح زمین و یونوسفر می‌تواند به طور طبیعی با امواج الکترومغناطیسی تشدید شود؛ دقیقاً مانند یک حفره‌ی بزرگ. این امر آن را به ویژه برای جستجوی سیگنال‌های مرتبط با ذرات فوق سبکی مفید می‌کرد که تیم می‌خواست بررسی کند.

گسترش جستجو به فرکانس‌های بالاتر

یکی از موانع این بود که نظریه‌ قبلی فقط می‌توانست فرکانس‌های زیر ۱ هرتز را به طور قابل اعتمادی توصیف کند. این امر بخش زیادی از محدوده‌ فرکانس بالقوه مفید را کشف نشده باقی می‌گذاشت.

برای حل این مشکل، محققان یک چارچوب نظری جدید ایجاد کردند که شامل رسانایی الکتریکی جو است. محاسبات آنها نشان داد که حفره‌ یونوسفر زمین می‌تواند سیگنال‌ها را نزدیک ۸ هرتز تقویت کند و به آنها اجازه داد تا پیش‌بینی‌های قابل اعتمادی تا حدود ۳۰ هرتز انجام دهند.

این مدل همچنین تفاوت مهمی را بین دو نامزد ماده‌ تاریک پیش‌بینی کرد. سیگنال‌های تولید شده توسط آکسیون‌ها باید بسته به موقعیت مکانی متفاوت باشند و قوی‌ترین سیگنال‌ها در جنوب شرقی آسیا انتظار می‌رود. در مقابل، سیگنال‌های فوتون تاریک باید تقریباً با قدرت یکسانی در سراسر جهان ظاهر شوند.

یک دهه آزمایش داده‌های مغناطیسی

با استفاده از این چارچوب، تیم تحقیقاتی تقریباً ۱۰ سال اندازه‌گیری‌های ژئومغناطیسی جمع‌آوری‌شده بین سال‌های ۲۰۱۲ تا ۲۰۲۲ توسط رصدخانه اسکدالمویر سازمان زمین‌شناسی بریتانیا را بررسی کردند.

محققان ابتدا منابع مصنوعی نویز را از داده‌ها حذف کردند. سپس به دنبال نوعی سیگنال پایدار متمرکز در یک محدوده فرکانسی بسیار باریک بودند که انتظار می‌رود ماده تاریک در مدت زمان طولانی تولید کند. سپس نتایج مورد تجزیه و تحلیل آماری قرار گرفتند.

همین رویکرد نظری برای فوتون‌های تاریک نیز اعمال شد. برخلاف اکسیون‌ها، فوتون‌های تاریک می‌توانند امواج الکترومغناطیسی را حتی زمانی که هیچ میدان مغناطیسی وجود ندارد، تولید کنند، بنابراین محققان مجموعه داده‌ها را برای یافتن امضای متفاوتی که انتظار می‌رود این ذرات ایجاد کنند، جستجو کردند.

محدودیت‌های قوی‌تر و نامزدهای سیگنال مرموز

محققان با استفاده مؤثر از کل زمین به عنوان یک آشکارساز برای محدوده خاصی از جرم‌های اکسیون، محدودیت‌های جدیدی را در مورد میزان تعامل اکسیون‌ها با نور اعمال کردند.

این محدودیت‌ها حدود ۱۰۰ برابر سخت‌تر از بهترین نتیجه قبلی از یک آزمایش زمینی بودند. آنها همچنین با محدودیت‌های استنباط شده از مشاهدات اخترفیزیکی پرتو ایکس انجام شده توسط رصدخانه‌هایی مانند چاندرا و نوستار رقابت می‌کردند؛ اگرچه این محدودیت‌های اخترفیزیکی به فرضیات نظری خاصی بستگی دارند.

جستجوی فوتون تاریک نتیجه‌ای بسیار جذاب به همراه داشت. محققان چندین نامزد سیگنال را شناسایی کردند که می‌توانند منشأ ماده تاریک داشته باشند. با این حال، منبع این سیگنال‌ها ناشناخته مانده است و به عنوان مدرکی از ماده تاریک تأیید نشده‌اند.

بنابراین، هویت واقعی ماده تاریک همچنان حل نشده باقی مانده است. با این حال، چارچوب نظری جدید می‌تواند راهی قدرتمند برای محققان جهت گسترش جستجوهای آینده و استفاده از محیط الکترومغناطیسی طبیعی زمین به عنوان ابزاری برای بررسی برخی از سبک‌ترین اشکال ممکن ماده تاریک فراهم کند.