地球大气可能存在暗物质的线索

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作者：京都大学

翻译：贺玉影

校对：牧夫校对组

编排：张莹

后台：朱宸宇

https://scitechdaily.com/dark-matter-may-be-leaving-a-signal-in-earths-atmosphere/

地球的磁场和大气层可能构成一个行星级别的超轻（ultralight）暗物质探测器，如果存在来自轴子与暗光子的微弱电磁信号，地球也许能够放大它。

✦地球本身可能就是世上最大的超轻暗物质探测器

地球可能已经含有一个有史以来规模最大的暗物质实验场。科学家们没有仅仅依赖实验室内的专用设备，而是找到了一种方法将地球的磁场、大气层和地表用作“地球探测器”的部件。

这个方法关注的是轴子与暗光子这两种理论上的粒子，它们可能可以协助解释暗物质。天文学家根据暗物质对星系及其他宇宙结构产生的引力效应推断出它的存在，但它不会以任何易于探测的方式产生、反射或吸收光线。虽然它似乎占了宇宙总能量的大概四分之一，但它的物理本质仍未知。

在研究人员考察的质量范围内，轴子与暗光子的质量将极其微小，比电子轻约19到21个数量级。如果这些粒子作为银河系暗物质晕（halo）的一部分环绕地球，它们可能会表现得更像一个微弱且持续振荡的场，而非独立的物质微粒。

✦作为暗物质探测器的地球

许多传统的轴子实验都利用强力磁铁试图将轴子转化为可探测的光子。不过，即便是最强大的实验室也只能在相对有限的范围内操作。而地球的磁场覆盖着整颗行星，为研究人员提供了一个任何实验室磁铁都不能比的天然实验环境。

通讯作者Atsushi Taruya写道：“我们问自己，能不能将地球本身用作搜寻的巨型探测器，以地球-电离层腔体充当天然的共振器，放大那些恰好处于我们想要探测的质量范围内的电磁波。”

地球表面与导电电离层之间的空腔能够捕获并增强特定频率的电磁波。这一现象最广为人知的是由世界各地的闪电激发的自然共振*。研究人员意识到，同一行星空腔也可能放大暗物质产生的极微弱的电磁扰动。

*即舒曼共振，频率约8至10赫兹。

✦扩展搜寻的新模型

早期的理论模型只有在1赫兹以下才可靠，所以许多相关频率的范围都没有去探索。该团队通过构建一个将大气电导率变化纳入考虑的框架，解决了这一问题。他们的计算表明，暗物质信号在8赫兹附近可能会得到显著增强，这使得研究人员能够对高达约30赫兹的频率范围做出可靠的预测。

该模型还提供了一种方法来区分可能的暗物质信号与普通的干扰。轴子信号的强度和方向应随观测者的位置而变化，因为轴子需要借助地球磁场才能产生电磁波。计算结果表明，东南亚地区的探测灵敏度最高。与此同时，暗光子信号在全球范围内的表现应保持高度一致，因为暗光子无需外部磁场即可产生相同的效果。

✦十年份的地磁数据

为了验证这一假设，研究人员分析了英国地质调查局埃斯克达勒穆尔观测站2012年至2022年间记录的地磁观测数据。他们首先剔除了已知的人为噪声源，随后寻找集中在极窄频率范围内且持续存在的信号。

频率的狭窄至关重要。许多天然的和人造的来源都会产生电磁活动，但超轻暗物质场应以由该粒子质量决定的频率发生振荡。因此，它可能会留下一条稳定的谱线，在长达数年的观测中始终可被探测到，而非表现为短暂的爆发或不规则的扰动。

在处理完埃斯克达勒穆尔的数据后，研究团队利用统计检验方法寻找了轴子预测的模式。随后，他们将这一通用框架应用于暗光子，后者会产生不同的电磁特征。

✦更严格的轴子限制和未解释的信号

研究未报告发现任何轴子。相反，由于未检测到确凿的信号，研究人员得以对轴子与光可能相互作用的概率设下更严格的限制。对于特定范围内的轴子质量，这些新的地面观测限制比此前地面实验获得的最佳结果严格约100倍。

这些上限甚至与钱德拉X射线天文台（Chandra）和核分光望远镜阵（NuSTAR）等空间望远镜通过X射线观测所得的结果不相上下。这些天体物理约束条件虽然非常有力，但它们依赖于对遥远宇宙环境的假设。基于地面的方法利用了在离我们更近的地方收集的长期观测数据，从而提供了一种独立的验证手段。

暗光子搜索产生了一个更令人迷惑的结果。研究人员发现了几个可能符合暗物质的长期信号候选，不过它们也可能用未知的环境效应、探测设备或其他形式的干扰来解释。需要从多个地点做更多观测，以确定这些信号是否如暗光子预测的那样在全球范围内呈现出特定模式。

目前，这些发现尚未解开暗物质之谜。其更重大的意义在于证明地球本身可以作为一种灵敏的物理探测仪器。遍布全球的地磁观测站网络最终有望在各大洲之间搜寻匹配的信号，从而帮助研究人员将真正的全球性暗物质信号与局部噪声区分开。

责任编辑：郭皓存

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