物理学家发现暗物质可能的滋生地
蟹状星云中心的一颗中子星。图片来源：ESA/Hubble / Wikimedia Commons
一组物理学家称，一种可能构成宇宙暗物质的假想粒子可能是由中子星产生并围绕着中子星运行，中子星是宇宙中最密集的物体之一。
这些粒子就是轴子，是所谓的暗物质的几种候选粒子之一。暗物质是一种神秘的物质，占宇宙物质的四分之一以上。来自阿姆斯特丹大学、普林斯顿大学和牛津大学的一组研究人员现在假设轴子可能在中子星周围形成云层，中子星是死星坍缩后密度极高的残余物。这一发现为研究人员提供了一个新的领域，让他们可以专注于天体物理对暗物质的搜索，同时也凸显了太空射电望远镜的潜在用途。
可能的暗物质工厂
研究小组认为，中子星内部产生的一些轴子可以转化为光子并逃逸到太空中。但其中许多粒子仍会被恒星的引力所捕获，从而在中子星周围形成轴子云。该小组描述这一想法的研究最近发表在《物理评论 X》上，并延续了该团队的一项早期研究，该研究探索了可以逃离产生它们的中子星引力场的轴子。
“我们看到某样东西时，电磁波（光）会从物体上反弹并到达我们的眼睛。我们‘看到’轴子的方式略有不同，”普林斯顿理论科学中心研究科学家、论文合著者 Anirudh Prabhu 在给 Gizmodo 的电子邮件中说道。“虽然光可以从轴子上‘反弹’，但这个过程极为罕见。检测轴子的更常见方法是通过 Primakoff 效应，该效应允许轴子在强磁场下转换为光（反之亦然）。”
有些中子星是宇宙中磁性最强的物体之一，因此被赋予了一个特殊的标签：磁星。帕布说，这种极度磁化的环境是轴子转化为光的肥沃土壤，然后可以通过太空望远镜探测到。
宇宙中的暗物质和轴子波
暗物质是宇宙中27% 物质的总称。科学家无法直接观察到这些物质，因为它们不发光，而且似乎只通过引力作用与普通物质发生相互作用。其他候选物质包括弱相互作用大质量粒子 (WIMP)、暗光子和原始黑洞等等。轴子最初被提出是为了解决粒子物理学中的一个问题：基本上，中子的一些预测特性在自然界中是无法观察到的。因此它们的名字——轴子，来自一个清洁产品品牌。毕竟，轴子被提出是为了解决围绕粒子物理学标准模型出现的一些棘手难题。去年，另一个研究小组研究了爱因斯坦环——光在太空中因引力而强烈弯曲的区域，在太空中形成可见的“环”——并发现证据表明轴子是暗物质的候选者。
帕布指出，轴子转换产生的电磁波（即光）的波长范围从几分之一英寸到半英里（一公里）以上。但地球电离层阻挡了地面望远镜的超长波长，因此太空观测站可能是我们寻找轴子证据的最佳选择。
中子星和轴子有着历史
“轴子物理学领域已经明确，如果存在与磁场平行的大型时变电场，那么就会有产生轴子的理想条件，”加州大学伯克利分校粒子物理学家本杰明·萨夫迪 (Benjamin Safdi) 在给 Gizmodo 的电子邮件中表示，他与最近的这篇论文没有关系。“回想起来，很明显，如果这个过程发生在脉冲星中，那么由于中子星的强大引力，产生的轴子中相当一部分可能会受到引力束缚。作者指出了这一点，值得称赞。”
2021 年，萨夫迪与他人合作撰写了一篇论文，假设轴子可能产生于我们银河系中的一组中子星“七大中子星”。“七大中子星”会产生高频 X 射线，研究小组提出，轴子转化为光子可能会产生一些望远镜观测到的 X 射线。但最近的研究小组表示，这些中子星核心产生的许多轴子都更靠近源头，并在数亿年（甚至数十亿年）内积累了大量数量。
研究团队在论文中写道：“这些轴子在天体物理时间尺度上不断积累，从而在恒星周围形成密集的‘轴子云’。虽然需要更深入地了解这些系统中的系统不确定性，但我们目前的估计表明，现有的射电望远镜可以将轴子-光子耦合的灵敏度提高一个数量级以上。”
“然而，这项研究中提出的计算存在很多不确定性——这不是作者的错；这只是一个困难的动态问题，”萨夫迪补充道。“我还希望看到对这一信号的探测前景进行更彻底的研究，包括更好地模拟中子星群，并使用现有和即将推出的仪器估计灵敏度。”
那么我们如何探测并识别暗物质呢？
但太空中最先进的望远镜并不是射电望远镜。2021年发射的韦伯太空望远镜观测到了我们能在红外和近红外波长下看到的一些最古老的光。欧空局的欧几里得太空望远镜于去年发射，其具体目标是提高我们对宇宙暗物质的理解，它也能在红外线中观察宇宙。事实上，最引人注目的射电天文台选择之一是月球陨石坑射电望远镜 (LCRT)，它的名字听起来就是这样：一个巨大的射电望远镜，它会把月球背面的月球陨石坑做成一个碟形。
萨夫迪表示：“轴子是我们研究新物理学的最佳对象之一”，尽管“由于它们与普通物质的相互作用微弱，因此探测起来非常困难”。
“这些微弱的相互作用在极端天体物理环境中会被放大，比如中子星磁层，”他补充道。“因此，这样的工作很容易打开发现之路。”
地球上有许多射电望远镜在做着出色的工作——MeerKAT、甚大望远镜和 ALMA，仅举几例——但如果我们想有机会看到轴子波，似乎我们可能需要一项新的太空任务。没压力，NASA 有钱了！