暗物質是一種在天文觀測中被發(fā)現(xiàn)的物質，具有引力作用但不發(fā)光，占據(jù)宇宙總能量的27%。關于暗物質的粒子物理性質的研究是當前粒子物理和宇宙學最重要的研究課題之一。超輕暗光子作為暗物質的候選者越來越被物理學家重視。
20世紀60年代初，彭齊亞斯和威爾遜在進行射電天文學研究時意外發(fā)現(xiàn)了一個低水平的背景噪音。后來，這個噪音被證實是宇宙微波背景輻射，是早期灼熱宇宙膨脹的重要證據(jù)之一。超輕暗光子通過與光子的動力學混合，呈現(xiàn)出類似光子的電磁相互作用。作為彌散在宇宙中的暗物質的候選者，超輕暗光子暗物質可表現(xiàn)出類似于宇宙微波背景輻射的行為。如果現(xiàn)代射電望遠鏡仔細聆聽，可能會聽到來自黑暗世界微妙的聲音。
暗光子暗物質可以在地面上的射電望遠鏡的反射板或偶極天線上引起電子振蕩，從而在望遠鏡的探測器上產(chǎn)生單頻射電信號，其輻射頻率與暗光子質量根據(jù)質能方程轉換得到的特征頻率相同。利用我國500米口徑球面射電望遠鏡(中國天眼，F(xiàn)AST)的觀測數(shù)據(jù)，黃曉淵與合作者在1-1.5GHz尋找暗光子暗物質產(chǎn)生的信號，給出了這個頻率范圍內(nèi)對暗光子暗物質的最強實驗限制。已有的低頻陣列射電望遠鏡(LOFAR)、在建的平方千米陣列射電望遠鏡(SKA)以及未來FAST望遠鏡將能夠達到更高的靈敏度，有發(fā)現(xiàn)此類暗物質的潛力。
研究工作得到國家自然科學基金、科技部、中國科學院、江蘇省、清華大學、北京大學等的支持。
(左)暗光子暗物質在FAST鏡面上轉化成普通光子的示意圖;(右)本文結果對暗光子暗物質的限制(圖中標注“FAST”部分)。相關成果已被暗光子綜述網(wǎng)站收錄。
