宇宙大爆炸后爆发的轴子星可以揭示暗物质

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一幅插图显示了一个假想的轴子星，它可以照亮暗物质。（图片来源:Robert Lea（与Canva共同创作））

（）据美国太空网（罗伯特·李）：发现高度不稳定和爆炸性的“轴子星”可以帮助科学家最终揭示宇宙中最神秘的物质:暗物质。

尽管暗物质约占宇宙质量的85%，但它实际上仍然不可见，因为它不与光相互作用。这也意味着它不可能由像电子和质子这样的粒子组成，而电子和质子构成了聚集在一起形成恒星、行星、卫星和我们身体的原子。

这促使科学家们寻找可能真正解释暗物质的难以捉摸的粒子。暗物质的主要嫌疑人之一被称为“轴子”，这是1977年首次提出的轻质量粒子理论。新的研究表明，如果科学家寻找粒子可能聚集的区域，就可以找到轴子。潜在地，这样的团块可能已经创造了轴子星——具有爆炸性的结果。

“轴子是暗物质的主要候选者之一。研究小组成员、伦敦国王学院教授马尔科姆·费尔贝恩在一份声明中说:“我们发现，它们聚集成密集的团块后，有能力像超新星和普通恒星一样加热宇宙。”“有了这些知识，我们就能更加确定地知道在野外哪里可以找到我们的仪器。”

暗物质之谜可能会被彻底揭开

暗物质可能不会与光子（与电磁力相关的粒子）相互作用，但它会与宇宙的其他四种基本力之一相互作用:引力。

事实上，当科学家意识到一些星系旋转如此之快以至于与它们内部所有可见质量相关的引力不足以将它们保持在一起时，暗物质首先被发现。一定还有别的原因。此外，除了发现暗物质阻止星系分离外，科学家们现在认为，大多数（如果不是所有）大型星系都被暗物质晕所笼罩，这些暗物质晕远远超出了它们的可见圆盘以及恒星、气体和尘埃晕。

这意味着如果暗物质是由轴子组成的，那么这些低质量粒子必须大量存在才能解释这种观察到的引力效应。这也意味着在某些区域轴子非常密集。在这些区域，由于量子物理定律的作用，轴子可能会开始一致行动。这可能导致星系中心的大量轴突形成轴子星。

然而，研究小组表示，这些轴子星不会像星系周围的暗物质晕那样长寿。



一幅插图显示了一个被暗物质晕笼罩的明亮螺旋星系。（图片来源:ESO/L calada）

轴子星如果存在的话，一旦达到一定质量就会变得不稳定。这将导致恒星爆炸并释放辐射。

研究小组认为这种辐射可能加热了宇宙中第一批原子产生和第一批恒星形成之间的星系间气体，大约在大爆炸后5000万至5亿年左右。

在被称为重组时代的宇宙时代，电子与质子结合产生了第一个原子，这也意味着自由电子不再无休止地散射光子。因此，宇宙突然变得对光透明，这种“第一束光”现在可以以宇宙化石的形式看到，宇宙化石均匀地充满了宇宙，这种辐射被称为“宇宙微波背景”或“CMB”。

这项研究背后的团队认为早期宇宙中轴子星的爆炸可能会在CMB中留下印记。因此，使用被称为21厘米测量的无线电波来搜索这一特征，可以确认暗物质的轴子性质。

费尔贝恩说:“相干轴子星，即使是那些相对致密的星，也有可能爆发出电磁光晕。”“了解轴子暗物质可以形成的结构类型及其对周围星系间气体的影响可以为探测它铺平新的道路。

“能够找到轴子可能会帮助我们解决一个世纪以来最大的科学问题之一，并有助于揭示早期宇宙的历史。”

计算现有轴子星的数量最终可以揭示这些不稳定的暗物质聚集的全部爆炸潜力，并有助于解释这些爆炸如何与星系间气体相互作用。反过来，这将暗示CMB中隐藏的信号大小。

伦敦国王学院的研究员大卫·马什说:“21厘米的测量通常被视为宇宙学的未来，它在寻找轴子方面发挥的作用是这一点的主要原因。”“目前正在建立的axion搜索数量激增，包括像暗物质无线电这样的项目。作为一名天体物理学家，现在是一个非常非常激动人心的时刻。”

关于轴子星的研究发表在《物理评论d》杂志的一系列论文中。