Tο Parker Solar Probe της NASA ως ανιχνευτής σκοτεινής ύλης.
Οι ερευνητές της NASA εκμεταλλευόμενοι τις στενές επαφές του διαστημικού σκάφους με τον Ήλιο αναζήτησαν μεταξύ άλλων και σήματα σκοτεινών φωτονίων στο στέμμα του Ήλιου.
Η σκοτεινή ύλη παρά το γεγονός ότι δεν έχουμε ιδέα περί τίνος πρόκειται, αντιπροσωπεύει το 27% του συνολικού ενεργειακού περιεχομένου του σύμπαντος και παίζει κρίσιμο ρόλο στο σχηματισμό των κοσμικών δομών, αποτελώντας τον σκελετό του «κοσμικού ιστού» των γαλαξιών. Όμως, οι μη βαρυτικές αλληλεπιδράσεις της με γνωστά σωματίδια παραμένουν ένα μυστήριο. Μεταξύ των πολλών τύπων σωματιδίων σκοτεινής ύλης που έχουν προταθεί, ένας πιθανός υποψήφιος είναι το υπερελαφρύ σκοτεινό φωτόνιο.
Το σκοτεινό φωτόνιο είναι ένα υποθετικό σωματίδιο του σκοτεινού τομέα, ένα νέο είδος μποζονίων βαθμίδας, που μεσολαβούν στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. Προτείνεται ως φορέας δύναμης δυνητικά συνδεδεμένης με την σκοτεινή ύλη παρόμοιας με την ηλεκτρομαγνητική – φορέας της οποίας είναι το φωτόνιο του ηλεκτρομαγνητισμού.
Οι ερευνητές αναζήτησαν και στο παρελθόν σκοτεινά φωτόνια χρησιμοποιώντας εργαστηριακούς ανιχνευτές σωματιδίων και επίγεια τηλεσκόπια. Οι φυσικοί Haipeng An et al χρησιμοποίησαν ένα μοναδικό σημείο θέασης κοντά στον Ήλιο για να ανιχνεύσουν σήματα σκοτεινών φωτονίων. Αναλύοντας τα δεδομένα ραδιοσυχνοτήτων από το Parker Solar Probe, δεν βρήκαν φασματικές παραμορφώσεις που θα ήταν σημάδια σκοτεινών φωτονίων. Έτσι, οι ερευνητές έθεσαν τα ισχυρότερα μέχρι σήμερα όρια όσον αφορά τα σκοτεινά φωτόνια με μάζες γύρω στα 10−9 eV/c2.
Το σκοτεινό φωτόνιο είναι ένας ελκυστικός υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη, επειδή αναδύεται με φυσικό τρόπο από ορισμένες θεωρίες σχετικές με τη θεωρία των χορδών. Όμως, αυτά τα μοντέλα δεν καθορίζουν την μάζα του σκοτεινού φωτονίου. Έτσι οι αναζητήσεις εκτείνονται σε πολλές τάξεις μεγέθους μάζας, από 10−18 έως 106 eV/c2. Το υπερελαφρύ σκοτεινό φωτόνιο (<1 eV/c2) ξεχωρίζει, καθώς προσφέρει χαρακτηριστικά κοσμολογικά αποτελέσματα και ιδιαίτερες πειραματικές υπογραφές.
Είναι πολύ σημαντικό το γεγονός ότι το σκοτεινό φωτόνιο θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με κανονικά σωματίδια διαμέσου ενός φαινομένου γνωστού ως κινητική ανάμειξη. Αυτή η ασθενής σύζευξη επιτρέπει στα σκοτεινά φωτόνια να «ταλαντώνονται» προς συνηθισμένα φωτόνια και αντιστρόφως, όπως ακριβώς τα νετρίνα ταλαντώνονται μεταξύ διαφορετικών γεύσεων. Αυτή η ταλάντωση μπορεί να ενισχυθεί σε ορισμένα περιβάλλοντα, όπως το ηλιακό στέμμα – ένα υπέρθερμο, ιονισμένο αέριο που εκτείνεται εκατομμύρια χιλιόμετρα στο διάστημα γύρω από τον Ήλιο. Τα ηλεκτρόνια σε αυτό το πλάσμα αλληλεπιδρούν με κανονικά φωτόνια, κάνοντάς τα να συμπεριφέρονται σαν να είχαν μάζα. Η τιμή αυτής της ενεργού μάζας εξαρτάται από την πυκνότητα ηλεκτρονίων του στέμματος, η οποία μειώνεται με την απόσταση από τον Ήλιο. Αν ένα σκοτεινό φωτόνιο περάσει μέσα από το ηλιακό στέμμα και η μάζα του είναι ίση με την ενεργό μάζα σε μια συγκεκριμένη περιοχή του πλάσματος, τότε η μετατροπή από το σκοτεινό σε κανονικό ενισχύεται δραματικά διαμέσου ενός συντονισμού. Το προκύπτον φωτόνιο είναι εξαιρετικά μονοχρωματικό, με ενέργεια ίση με τη μάζα του σκοτεινού φωτονίου.
Μερικά από αυτά τα τροποποιημένα φωτόνια θα απορροφηθούν ή θα σκεδαστούν στο πλάσμα, αλλά ένα μέρος από αυτά θα διαφύγει, οδηγώντας σε ένα παρατηρήσιμο «εξόγκωμα» στο φάσμα του στέμματος. Παλαιότερες αναζητήσεις τέτοιων υπογραφών σκοτεινών φωτονίων πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας επίγεια ραδιοτηλεσκόπια. Αυτές οι παρατηρήσεις έχουν περιοριστεί σε συχνότητες φωτονίων άνω των 10 MHz, που αντιστοιχούν σε μάζες σκοτεινων φωτονίων πάνω από 10−6 eV/c2. Ο λόγος για αυτό το περιορισμένο εύρος είναι ότι οι ραδιοσυχνότητες κάτω από περίπου 10 MHz ανακλώνται πίσω στο διάστημα από την ιονόσφαιρα της Γης. Επίσης, τα επίγεια ραδιοτηλεσκόπια μειονεκτούν λαμβάνοντας εξασθενημένο σήμα λόγω της τεράστιας απόστασης Γης-Ήλιου.
Έτσι, το Parker Solar Probe (PSP) χρησιμοποιήθηκε ως ανιχνευτής σκοτεινής ύλης in situ. Το PSP είναι μια αποστολή της NASA που σχεδιάστηκε για να μελετήσει το ηλιακό στέμμα κινούμενο πιο κοντά στον Ήλιο από οποιοδήποτε άλλο διαστημόπλοιο. Εκτοξεύθηκε το 2018, και έφτασε στην πλησιέστερη απόσταση περιηλίου περίπου 10 ηλιακών ακτίνων τον Ιούλιο του 2022, αλλά η εξαιρετικά ελλειπτική τροχιά του του επέτρεψε να μελετήσει από κοντά το πλάσμα του στέμματος σε ένα ευρύ φάσμα ακτίνων – και επομένως σε ένα ευρύ φάσμα πυκνοτήτων ηλεκτρονίων. Οι δύο ραδιοφωνικοί δέκτες του PSP είναι ικανοί να μετρούν συχνότητες που κυμαίνονται από περίπου 20 kHz έως 20 MHz. Χρησιμοποιώντας αυτά τα ραδιοφωνικά δεδομένα και την τροχιακή διαδρομή του ανιχνευτή, οι Haipeng An et al μπόρεσαν να αναζητήσουν φασματικά «καρούμπαλα» που αντιστοιχούν σε μάζες σκοτεινών φωτονίων μεταξύ 3×10−10 και 8×10−8 eV/c2. Για μικρότερες μάζες σκοτεινών φωτονίων (ισοδύναμα μικρότερες συχνότητες), το PSP έχει μικρότερη ευαισθησία. Έτσι, στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων, οι ερευνητές έλαβαν επίσης υπόψη δεδομένα του Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO), το οποίο διατηρεί μια σταθερή τροχιακή απόσταση μιάς αστρονομικής μονάδας από τον Ήλιο.
Οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να καθορίσουν τα όρια της κινητικής παραμέτρου, την αδιάστατη παράμετρο που περιγράφει την ισχύ ανάμειξης μεταξύ σκοτεινών και κανονικών φωτονίων. Στο προαναφερθέν εύρος μάζας, βρήκαν ανώτερα όρια περίπου 10−13 έως 10−14. Αυτά τα όρια ξεπερνούν τους περιορισμούς από τις παρατηρήσεις κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, στις οποίες το υποτιθέμενο σήμα είναι μια φασματική παραμόρφωση που προκαλείται από μετατροπές σκοτεινών φωτονίων στο αρχέγονο σύμπαν. Υπερβαίνουν επίσης την περιοχή χαμηλής μάζας που ανιχνεύεται από εργαστηριακά αλωσκόπια, κοιλότητες μικροκυμάτων συντονισμένες για να μετατρέπουν σκοτεινή ύλη φωτονίων ή αξιονίων σε συνηθισμένα φωτόνια.
