Rejtélyes elektromágneses jeleket azonosítottak a Föld környezetében japán kutatók, akik bolygónkat gyakorlatilag egy hatalmas sötétanyag-detektorrá alakították. A Kiotói Egyetem, a Hirosimai Egyetem és a Nihon Egyetem szakemberei a Föld mágneses terét és a felszín, illetve az ionoszféra közötti hatalmas térséget használták fel arra, hogy az univerzum egyik legnagyobb rejtélyének számító sötét anyag nyomai után kutassanak. A vizsgálatok során több olyan jelre bukkantak, amelyek akár a sötét anyag egyik feltételezett formájához, az úgynevezett sötét fotonokhoz is kapcsolódhatnak. A kutatók ugyanakkor hangsúlyozzák, hogy egyelőre nem bizonyított, hogy valóban sötét anyagot észleltek.
A sötét anyag létezésében a csillagászok nagy része biztos, mivel gravitációs hatása számos kozmikus megfigyelésben kimutatható, közvetlenül azonban még soha nem sikerült azonosítani. A becslések szerint az univerzum teljes energia-tartalmának mintegy negyedét adhatja, ennek ellenére máig nem tudjuk, miből áll. A lehetséges magyarázatok között szerepelnek az ultrakönnyű axionok és a sötét fotonok. Ezek a feltételezett részecskék elképesztően könnyűek lennének: a most vizsgált tartományban tömegük az elektronénál 19–21 nagyságrenddel kisebb lehet – írja a Science Daily.
A sötét anyag keresésére szolgáló hagyományos axionkísérletekben rendkívül erős laboratóriumi mágneses tereket használnak. A kutatók abban reménykednek, hogy ezekben az axionok fotonokká alakulhatnak, és így érzékelhetővé válhatnak. A módszer egyik problémája azonban, hogy még a legerősebb mesterséges mágnesek is csak viszonylag kis területet képesek lefedni. A japán kutatók ezért teljesen más megközelítést választottak: azt vizsgálták meg, felhasználható-e maga a Föld óriási természetes detektorként.
Ebben kulcsszerepet játszik a Föld felszíne és az ionoszféra közötti térség. Ez egy hatalmas természetes rezonátorként viselkedhet, amely bizonyos frekvenciájú elektromágneses hullámokat képes felerősíteni. A kutatók számításai szerint ez különösen előnyös lehet azoknak a rendkívül könnyű részecskéknek a keresésében, amelyek a sötét anyagot alkothatják. A korábbi elméleti modellek csak az 1 hertz alatti frekvenciákon működtek megfelelően, ezért a kutatócsoport új elméleti keretrendszert dolgozott ki, amely már a légkör elektromos vezetőképességét is figyelembe veszi. Ennek segítségével körülbelül 30 hertzig tudták kiterjeszteni a vizsgálatokat, és kimutatták, hogy a Föld–ionoszféra rendszer körülbelül 8 hertznél különösen erősen felerősíthet bizonyos jeleket.
A modell arra is rámutatott, hogy az axionok és a sötét fotonok eltérő módon árulhatják el magukat. Az axionok által létrehozott jel erősségének földrajzi helyenként változnia kellene, és a számítások szerint Délkelet-Ázsiában lenne a legerősebb. A sötét fotonokhoz kapcsolódó jelek ezzel szemben nagyjából azonos erősséggel jelentkeznének a világ különböző pontjain. Ez a különbség a jövőben fontos segítséget jelenthet annak meghatározásában, hogy egy észlelt jel milyen eredetű lehet.
A kutatócsoport ezután körülbelül tíz évnyi geomágneses mérési adatot elemzett. A British Geological Survey skóciai Eskdalemuir Obszervatóriumának 2012 és 2022 között rögzített adatait használták fel. Először megpróbálták kiszűrni a mesterséges eredetű zajokat, majd olyan rendkívül keskeny frekvenciatartományba koncentrálódó, hosszabb időn keresztül stabil jeleket kerestek, amilyeneket az elméletek szerint a sötét anyag produkálhatna.
Az axionok esetében a módszerrel nem sikerült közvetlen felfedezést tenni, de a kutatók minden korábbinál szigorúbb korlátokat tudtak meghatározni arra vonatkozóan, hogy ezek a feltételezett részecskék milyen erősen léphetnek kölcsönhatásba a fénnyel. Az eredmények mintegy százszor szigorúbb korlátot jelentenek, mint a korábbi legjobb földi kísérletek eredményei, és bizonyos szempontból az olyan űrobszervatóriumok adataiból származó korlátokkal is versenyképesek, mint a Chandra és a NuSTAR.
A legizgalmasabb eredményt azonban a sötét fotonok keresése hozta. A kutatók több olyan jelölt jelet is azonosítottak, amelyek elméletileg akár sötétanyag-eredetűek is lehetnek. Egyelőre azonban nem sikerült meghatározni, hogy pontosan mi hozta létre ezeket a jeleket, ezért a tudósok nem állítják, hogy megtalálták a sötét anyagot. Lehetséges, hogy eddig nem azonosított természetes vagy más eredetű jelenség áll a háttérben, ezért további mérésekre és független megerősítésre lesz szükség.
A felfedezés jelentőségét így egyelőre nem maga a sötét anyag bizonyított megtalálása adja, hanem az új módszer. A kutatók megmutatták, hogy a Föld saját mágneses környezete és légköre hatalmas természetes laboratóriumként használható az univerzum legnehezebben érzékelhető részecskéinek keresésére. Ha a most észlelt rejtélyes jelek közül valamelyikről később valóban kiderülne, hogy sötét fotonoktól származik, az a modern fizika egyik legjelentősebb felfedezése lenne, és közelebb vihetne annak megfejtéséhez, miből áll az univerzum láthatatlan anyaga.
