在整个宇宙中，暗物质的湮灭可能会使死中子星变暖

汪雨甘捍

（左）中子星的插图（右）艺术家对暗物质分布的印象。（图片来源：美国国家航空航天局戈达德航天飞行中心/VOLKER SPRINGEL，MAX PLANCK天体物理研究所）

据美国太空网（Robert Lea）：科学家们推测，一些由已知宇宙中密度最高的物质制成的死恒星，即所谓的“中子星”，可能会成为暗物质粒子的陷阱，这些粒子以高速碰撞在一起并相互湮灭。研究人员说，反过来，湮灭过程可能会从内到外加热死去的恒星。

总的来说，暗物质对研究人员来说是一个有问题的课题，因为尽管暗物质估计占宇宙物质的85%，但它实际上是不可见的，因为它不与光相互作用。暗物质似乎也不会与由质子、中子和电子组成的“普通物质”相互作用——或者，如果相互作用，这些相互作用是罕见和微弱的。我们从未见过他们。这就引出了一个有趣的问题：暗物质是否与自身相互作用？

墨尔本大学的理论物理学家妮可·贝尔对正常物质中电子及其反粒子正电子相遇并湮灭从而释放能量时发生的暗物质自相互作用感兴趣。暗物质是电中性的，这意味着构成物质的任何粒子理论上也可能有自己的反粒子。

而且，就像正常物质湮灭一样，当暗物质粒子相遇时，暗物质湮灭应该发生——中子星可能是这种相互作用的理想极端环境。

贝尔告诉Space.com：“湮灭是指粒子和反粒子碰撞并相互摧毁。如果暗物质是自己的反粒子，就会发生这种情况，正如最广泛研究的暗物质模型中经常假设的那样。”

这意味着，如果中子星可以充当“暗物质陷阱”，那么它们就可以发出热信号。如果这一点能够被探测到，中子星可以充当基本的“暗物质探测器”，这将有助于科学家寻找这种实际上看不见的物质形式。

如何诱捕暗物质

当一颗质量至少是太阳八倍的恒星耗尽其核心核聚变所需的燃料时，中子星就诞生了。这结束了辐射压力驱动的向外力，辐射压力支撑恒星抵抗自身引力的向内力达数百万年，有时甚至数十亿年之久。

结果，恒星的核心坍塌，发出冲击波，引发超新星。这股冲击波吹走了垂死恒星的外层及其大部分质量，留下了一个质量是太阳质量的一到两倍的恒星核心，它已经坍塌到大约12英里（20公里）的宽度。



中子星与曼哈顿岛的对比图。（图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）

将相当于50多万地球的质量挤压成一个可能位于芝加哥城市范围内的天体，自然会对恒星核心的物质产生极端影响。它迫使电子和质子结合在一起，形成中子的海洋，中子是通常只在原子中心发现的粒子。组成中子星的这片中子海洋密度如此之大，如果将其中一汤匙带到地球上，它的重量将超过10亿吨。这与珠穆朗玛峰的重量差不多。

因此，中子星是由已知宇宙中密度最高的物质组成的，这就是为什么科学家们认为它们的引力影响可能足以诱捕暗物质——尽管暗物质缺乏与光和物质的相互作用，但它确实与引力相互作用。

贝尔解释说，当138亿年前的宇宙还不到一秒时，暗物质湮灭被认为经常发生，但在当今宇宙中很少发生。唯一的例外是存在大量暗物质的区域。

贝尔及其同事发现，如果暗物质确实可以在中子星内部积累，这将恰好提供富含暗物质的环境，从而使其在老化的宇宙中湮灭。

贝尔说：“你可能会在一个小区域内发现大量暗物质，足以在这些恒星中发生相当数量的暗物质湮灭。”。

贝尔补充说，在地球实验室的暗物质实验中，科学家们寻找暗物质粒子与普通物质相互作用的信号，但中子星在这方面具有天然优势。

她说：“在实验室里，我们正在寻找暗物质粒子和原子核之间的碰撞。”。“但如果这种情况能够发生，那么暗物质也必须能够与中子星中的中子和质子碰撞。中子星有很多中子。”

除此之外，贝尔在研究中子星和暗物质时惊讶地发现，中子星的巨大引力可能会创造另一种条件，使暗物质粒子更可能在这些死恒星内发生自相互作用。

贝尔说：“当暗物质撞击中子星时，它会被加速到接近光速的速度。”。“这很有用，因为它可以提高相互作用的速率，有可能使我们能够探测一些在地球上的实验中几乎不可能看到的暗物质相互作用。”



充满奇异夸克物质的中子星的横截面，但这些死恒星能隐藏更奇异的东西吗？（图片来源：Jyrki Hokkanen/CSC）

暗物质湮灭会向这些死星陷阱释放热能，因此该团队还研究了中子星和它们捕获的暗物质需要多长时间才能达到所谓的“热平衡”状态。这是两种物质达到相同温度，热量不再在它们之间流动的点。

这项研究表明，暗物质饱和中子星可以在不超过10000年、短至一年的时间内达到热平衡，这取决于所使用的模型。从宇宙的角度来看，这只是一眨眼的功夫。



在艺术家的插图中，美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜可以发现中子星的热发射，这表明暗物质被湮灭。（图片来源：NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez）

为了验证这一理论，研究人员需要测量中子星的温度。发现这些极端死亡的恒星比预期的更热，将揭示暗物质粒子确实正在其内部湮灭。然而，这样的发现绝非易事，因为只有更古老、更冷的中子星才会发出不会被其他光淹没的热辐射。这将需要人类有史以来向太空发射的最强大的观测仪器：詹姆斯·韦伯太空望远镜。

贝尔补充道：“我们最感兴趣的中子星是非常冷的恒星，很难看到。”。“这些恒星的温度将导致近红外辐射，这可能通过詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）看到。”

对中子星缺乏了解可能意味着，这种暗湮灭模型可能更容易用像太阳这样的小恒星死亡时留下的恒星残骸类型进行测试：白矮星。

贝尔总结道：“中子星由于其极高的密度，有利于捕捉暗物质。但它们也是相对鲜为人知的恒星。”。“类似的想法也可以应用于我们更了解的其他恒星，比如白矮星。”

如果这一理论被证明是正确的，它不仅能照亮暗物质，还能帮助科学家更好地了解中子星的演化。

Bell及其同事的研究尚未经过同行评审，可以在论文库网站arXiv上找到。