脉冲星可能会让暗物质发光

虾仔123

蟹状星云——一颗超新星爆炸的残余，其中心包含一颗脉冲星。脉冲星使星云中气体形式的普通物质发光。正如研究人员现在展示的那样，它可能对轴子形式的暗物质做同样的事情，导致可以测量的微妙的额外发光。鸣谢:美国航天局/CXC/亚利桑那州立大学/J. Hester等人

（）据阿姆斯特丹大学：寻找暗物质过程中的核心问题是:它是由什么组成的？一个可能的答案是暗物质由被称为轴子的粒子组成。由阿姆斯特丹大学和普林斯顿大学的研究人员领导的一个天体物理学家小组现在已经表明，如果暗物质由轴子组成，它可能会以脉动恒星发出的微妙的额外辉光的形式显示出来。他们的工作发表在《物理评论快报》杂志上。

暗物质可能是我们宇宙中最受欢迎的成分。令人惊讶的是，这种神秘的物质形式，物理学家和天文学家至今还未能探测到，却被认为构成了宇宙中的巨大部分。

宇宙中不少于85%的物质被怀疑是“黑暗的”，目前只有通过它对其他天体施加的引力才能被注意到。可以理解，科学家想要更多。他们想真正看到暗物质——或者至少直接探测到它的存在，而不仅仅是从引力效应中推断出来。当然，他们想知道这是什么。

清理两个问题

有一点是清楚的:暗物质不可能是构成你我的同一种物质。如果是这样的话，暗物质的行为就会像普通物质一样——它会形成像恒星一样的物体，变亮，不再是“黑暗的”因此，科学家们正在寻找新的东西——一种还没有人探测到的粒子，它可能只会与我们已知的粒子类型发生非常微弱的相互作用，解释为什么我们世界的这一组成部分迄今为止仍然难以捉摸。

有很多线索可以告诉我们去哪里找。一个流行的假设是暗物质可能由轴子组成。这种假设类型的粒子在20世纪70年代首次被引入，以解决一个与暗物质无关的问题。中子是普通原子的组成部分之一，它内部正负电荷的分离出乎意料地小。科学家们当然想知道为什么。

事实证明，一种迄今未被发现的粒子的存在，与中子成分的相互作用非常微弱，可能会导致这种效应。后来的诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔泽克为这种新粒子起了一个名字:轴子——不仅与质子、中子、电子和光子等其他粒子的名字相似，还受到了一种同名洗衣液的启发。轴子是用来解决问题的。

事实上，尽管从未被发现，它可能会清除两个。基本粒子的几个理论，包括弦理论，统一自然界所有力的主要候选理论之一，似乎预言了轴子样粒子的存在。如果轴子真的存在，它们会不会也是失踪暗物质的一部分，甚至全部？也许吧，但是困扰所有暗物质研究的另一个问题也同样适用于轴子:如果是这样，那么我们如何才能看到它们？如何让“黑暗”的东西变得可见？

照亮暗物质

幸运的是，对于轴子来说，似乎有办法解决这个难题。如果预测轴子的理论是正确的，它们不仅有望在宇宙中大量产生，而且一些轴子也可以在强电磁场的存在下转化为光。一旦有光，我们就能看见。这可能是探测轴子的关键——因此也是探测暗物质的关键吗？

为了回答这个问题，科学家们首先要问自己，已知最强的电场和磁场出现在宇宙的哪个地方。答案是:在旋转中子星(也称为脉冲星)周围的区域。这些脉冲星是“脉动星”的缩写，是致密的物体，质量与我们的太阳大致相同，但半径约为10万分之一，只有约10公里。由于体积如此之小，脉冲星以极高的频率旋转，沿着其旋转轴发出明亮的窄束无线电辐射。类似于灯塔，脉冲星的光束可以扫过地球，使得这颗脉动的恒星很容易被观测到。

然而，脉冲星巨大的自转不止于此。它把中子星变成了一个极强的电磁铁。反过来，这可能意味着脉冲星是非常有效的轴子工厂。平均每一秒钟，一颗脉冲星能够产生50位数的轴子。由于脉冲星周围的强电磁场，这些轴子中的一部分可以转化为可观测的光。那就是:如果轴子真的存在的话——但是这个机制现在可以用来回答这个问题。只要观察脉冲星，看看它们是否会发出额外的光，如果会，确定这些额外的光是否来自轴子。

模拟微妙的辉光

在科学中，实际进行这样的观察当然不是那么简单。轴子发出的光——可以以无线电波的形式探测到——只是这些明亮的宇宙灯塔向我们发出的总光的一小部分。人们需要非常精确地知道没有轴子的脉冲星会是什么样子，以及有轴子的脉冲星会是什么样子，才能看到差异——更不用说量化差异并将其转化为暗物质数量的测量了。

这正是一组物理学家和天文学家现在所做的。在荷兰、葡萄牙和美国的合作下，该团队构建了一个全面的理论框架，可以详细了解轴子是如何产生的，轴子是如何逃离中子星的引力，以及它们在逃离过程中如何转化为低能无线电辐射。

然后，理论结果被输入计算机，以模拟脉冲星周围轴子的产生，使用最先进的数值等离子体模拟，最初开发这些模拟是为了理解脉冲星如何发射无线电波背后的物理学。一旦虚拟产生，轴子通过中子星电磁场的传播被模拟。这使得研究人员能够定量地了解无线电波的后续产生，并模拟这一过程如何在脉冲星本身产生的内在发射之上提供额外的无线电信号。

检验轴子模型

来自理论和模拟的结果然后被放入第一次观察测试。利用来自27颗附近脉冲星的观测结果，研究人员将观测到的无线电波与模型进行了比较，看是否有任何测量到的过剩可以为轴子的存在提供证据。不幸的是，答案是“没有”——或者更乐观一点:“还没有。”轴子不会立即跳出来给我们看，但也许这是不可预料的。如果暗物质这么容易就暴露了它的秘密，那么它在很久以前就已经被观测到了。

因此，发现轴子的确凿证据的希望现在取决于未来的观测。同时，目前没有观测到轴子的无线电信号，这本身就是一个有趣的结果。模拟和真实脉冲星之间的第一次比较，对轴子与光的相互作用提出了迄今为止最强的限制。

当然，最终目标不仅仅是设定限制——要么是证明轴子确实存在，要么是确保轴子根本不可能是暗物质的组成部分。新的结果只是朝着这个方向迈出的第一步；它们只是一个全新的高度跨学科领域的开始，这个领域有可能极大地推进对轴子的研究。