碰撞的中子星暗示了可以解释暗物质的新物理学

哈耶萨鲁亚源

新的研究表明，两颗中子星碰撞合并形成了一个千新星爆炸，这可能是一个完美的球体。（图片来源：Robin Dienel/卡内基科学研究所）

（）据美国太空网（Robert Lea）：距离地球约1.3亿光年的两颗中子星的碰撞，以及这次合并所创造的独特物理，可能为暗物质提供了新的线索。

华盛顿大学物理学家Bhupal Dev进行的一项新研究表明，在地球上探测到的中子星合并，即引力波信号GW170817，可能有助于约束被称为“轴子”的假设粒子，轴子是暗物质的主要候选者之一。

轴子从未被直接探测到，但它们出现在许多模型中，这些模型将物理学扩展到所谓的粒子物理标准模型之外，这是我们目前对亚原子粒子及其相互作用的最佳描述。

暗物质对科学家来说是一个挑战，因为它不与光相互作用，这意味着我们的眼睛实际上看不到它。暗物质也表现出明显缺乏与电磁力等其他力的相互作用。总的来说，由于这些奇怪的特征，暗物质不能由电子、质子和中子组成，这些物质是正常物质的成分，包括恒星、行星、我们的身体和我们周围的一切。

我们所知道的、包含在标准模型中的日常物质仅占宇宙总物质的15%，这一事实进一步加剧了这个谜团。

德夫在一份声明中说：“我们有充分的理由怀疑，标准模型之外的新物理可能就在眼前。”。“极端的天体物理环境，如中子星合并，为我们寻找轴子等暗扇区粒子提供了一个新的机会之窗，轴子可能是理解宇宙中缺失的85%物质的关键。”

轴子在隐藏中子星残骸吗？

当大质量恒星耗尽内部核聚变所需的燃料供应，无法再抵抗自身引力的向内推动时，中子星就诞生了。随着这种存在了数百万年的宇宙平衡行为的结束，恒星的外层在一次大规模超新星爆炸中被扔掉。

这留下了一个坍塌的恒星核心，太阳的质量挤进了大约12英里（20公里）的宽度。这是一颗中子星，之所以如此命名，是因为它充满了富含中子的物质。中子星密度如此之大，如果挖出一茶匙中子星带到地球上，它的重量约为1000万吨。这大约是帝国大厦的30倍重。

这些中子星并不总是孤立存在的；有时，它们会围绕着另一个中子星伴星旋转。当这些中子星在这样一个所谓的中子星双星中围绕彼此运行时，它们会在时空中产生称为引力波的涟漪。当这些时空波纹向外辐射时，它们将角动量从双星中带走，导致其组成恒星的残余物紧密地结合在一起。这种情况一直持续到中子星的引力接管并导致它们撞击在一起并合并。

毫不奇怪，考虑到中子星的极端性质，两个这样的恒星残余之间的碰撞激发了宇宙中其他地方都看不到的混乱的物理类型。事实上，科学家们已经认为，中子星合并是唯一剧烈到足以锻造比铁重的元素（如金和银）的环境，即使是大质量恒星沸腾的心也无法创造这些元素。

这是可能的，因为中子星碰撞会喷出富含自由中子的物质，这些粒子通常只与质子一起被锁在原子核中。

因此，这些中子可以被该区域的原子核吞噬，这一现象被称为“快速捕获过程”或“r-过程”。这导致产生不稳定的大质量原子核，最终衰变产生更轻的元素，如金。这种衰变也会产生光，天文学家从我们地球上的有利位置将其视为千新星。

合并还形成了两颗中子星的一个短暂而致密的残余，并迅速坍塌形成一个黑洞。

德夫解释道：“在安定下来成为更大的中子星或黑洞之前，残余恒星比单个恒星热大约一秒钟，这取决于初始质量。”。德夫认为，这意味着残留物是轴子等奇异粒子的理想产生点。



费米太空望远镜探测伽马射线（γ）的图示，伽马射线直接来自中子星合并和它们产生的奇异粒子的衰变。（图片来源：P。?S.Bhupal Dev等人，2024）

这些粒子可以逃离中子星合并的地点，衰变为其他粒子，包括光子，这是一种光粒子。Dev及其同事认为，这些逃逸粒子的衰变会产生一种独特的电磁信号，可以被伽马射线望远镜（如美国国家航空航天局的费米太空望远镜）捕捉到。

该团队认为，这意味着费米和未来的伽马射线探测仪器可以专注于中子星碰撞，以收集数据，提高科学家对轴子和类似粒子的理解。

这可能最终导致暗物质粒子的发现，解决宇宙学中最紧迫的问题之一：宇宙中的“缺失物质”是由什么组成的？

该团队的研究于3月5日发表在《物理评论快报》杂志上。