脈衝星可能會讓暗物質發光

蟹狀星雲——一顆超新星爆炸的殘餘，其中心包含一顆脈衝星。脈衝星使星雲中氣體形式的普通物質發光。正如研究人員現在展示的那樣，它可能對軸子形式的暗物質做同樣的事情，導致可以測量的微妙的額外發光。鳴謝:uux.cn/美國航天局/CXC/亞利桑那州立大學/J. Hester等人
（神秘的地球uux.cn）據阿姆斯特丹大學：尋找暗物質過程中的核心問題是:它是由什麽組成的？一個可能的答案是暗物質由被稱為軸子的粒子組成。由阿姆斯特丹大學和普林斯頓大學的研究人員領導的一個天體物理學家小組現在已經表明，如果暗物質由軸子組成，它可能會以脈動恒星發出的微妙的額外輝光的形式顯示出來。他們的工作發表在《物理評論快報》雜誌上。
暗物質可能是我們宇宙中最受歡迎的成分。令人驚訝的是，這種神秘的物質形式，物理學家和天文學家至今還未能探測到，卻被認為構成了宇宙中的巨大部分。
宇宙中不少於85%的物質被懷疑是“黑暗的”，目前隻有通過它對其他天體施加的引力才能被注意到。可以理解，科學家想要更多。他們想真正看到暗物質——或者至少直接探測到它的存在，而不僅僅是從引力效應中推斷出來。當然，他們想知道這是什麽。
清理兩個問題
有一點是清楚的:暗物質不可能是構成你我的同一種物質。如果是這樣的話，暗物質的行為就會像普通物質一樣——它會形成像恒星一樣的物體，變亮，不再是“黑暗的”因此，科學家們正在尋找新的東西——一種還沒有人探測到的粒子，它可能隻會與我們已知的粒子類型發生非常微弱的相互作用，解釋為什麽我們世界的這一組成部分迄今為止仍然難以捉摸。
有很多線索可以告訴我們去哪裏找。一個流行的假設是暗物質可能由軸子組成。這種假設類型的粒子在20世紀70年代首次被引入，以解決一個與暗物質無關的問題。中子是普通原子的組成部分之一，它內部正負電荷的分離出乎意料地小。科學家們當然想知道為什麽。
事實證明，一種迄今未被發現的粒子的存在，與中子成分的相互作用非常微弱，可能會導致這種效應。後來的諾貝爾獎獲得者弗蘭克·維爾澤克為這種新粒子起了一個名字:軸子——不僅與質子、中子、電子和光子等其他粒子的名字相似，還受到了一種同名洗衣液的啟發。軸子是用來解決問題的。
事實上，盡管從未被發現，它可能會清除兩個。基本粒子的幾個理論，包括弦理論，統一自然界所有力的主要候選理論之一，似乎預言了軸子樣粒子的存在。如果軸子真的存在，它們會不會也是失蹤暗物質的一部分，甚至全部？也許吧，但是困擾所有暗物質研究的另一個問題也同樣適用於軸子:如果是這樣，那麽我們如何才能看到它們？如何讓“黑暗”的東西變得可見？
照亮暗物質
幸運的是，對於軸子來說，似乎有辦法解決這個難題。如果預測軸子的理論是正確的，它們不僅有望在宇宙中大量產生，而且一些軸子也可以在強電磁場的存在下轉化為光。一旦有光，我們就能看見。這可能是探測軸子的關鍵——因此也是探測暗物質的關鍵嗎？
為了回答這個問題，科學家們首先要問自己，已知最強的電場和磁場出現在宇宙的哪個地方。答案是:在旋轉中子星(也稱為脈衝星)周圍的區域。這些脈衝星是“脈動星”的縮寫，是致密的物體，質量與我們的太陽大致相同，但半徑約為10萬分之一，隻有約10公裏。由於體積如此之小，脈衝星以極高的頻率旋轉，沿著其旋轉軸發出明亮的窄束無線電輻射。類似於燈塔，脈衝星的光束可以掃過地球，使得這顆脈動的恒星很容易被觀測到。
然而，脈衝星巨大的自轉不止於此。它把中子星變成了一個極強的電磁鐵。反過來，這可能意味著脈衝星是非常有效的軸子工廠。平均每一秒鍾，一顆脈衝星能夠產生50位數的軸子。由於脈衝星周圍的強電磁場，這些軸子中的一部分可以轉化為可觀測的光。那就是:如果軸子真的存在的話——但是這個機製現在可以用來回答這個問題。隻要觀察脈衝星，看看它們是否會發出額外的光，如果會，確定這些額外的光是否來自軸子。
模擬微妙的輝光
在科學中，實際進行這樣的觀察當然不是那麽簡單。軸子發出的光——可以以無線電波的形式探測到——隻是這些明亮的宇宙燈塔向我們發出的總光的一小部分。人們需要非常精確地知道沒有軸子的脈衝星會是什麽樣子，以及有軸子的脈衝星會是什麽樣子，才能看到差異——更不用說量化差異並將其轉化為暗物質數量的測量了。
這正是一組物理學家和天文學家現在所做的。在荷蘭、葡萄牙和美國的合作下，該團隊構建了一個全麵的理論框架，可以詳細了解軸子是如何產生的，軸子是如何逃離中子星的引力，以及它們在逃離過程中如何轉化為低能無線電輻射。
然後，理論結果被輸入計算機，以模擬脈衝星周圍軸子的產生，使用最先進的數值等離子體模擬，最初開發這些模擬是為了理解脈衝星如何發射無線電波背後的物理學。一旦虛擬產生，軸子通過中子星電磁場的傳播被模擬。這使得研究人員能夠定量地了解無線電波的後續產生，並模擬這一過程如何在脈衝星本身產生的內在發射之上提供額外的無線電信號。
檢驗軸子模型
來自理論和模擬的結果然後被放入第一次觀察測試。利用來自27顆附近脈衝星的觀測結果，研究人員將觀測到的無線電波與模型進行了比較，看是否有任何測量到的過剩可以為軸子的存在提供證據。不幸的是，答案是“沒有”——或者更樂觀一點:“還沒有。”軸子不會立即跳出來給我們看，但也許這是不可預料的。如果暗物質這麽容易就暴露了它的秘密，那麽它在很久以前就已經被觀測到了。
因此，發現軸子的確鑿證據的希望現在取決於未來的觀測。同時，目前沒有觀測到軸子的無線電信號，這本身就是一個有趣的結果。模擬和真實脈衝星之間的第一次比較，對軸子與光的相互作用提出了迄今為止最強的限製。
當然，最終目標不僅僅是設定限製——要麽是證明軸子確實存在，要麽是確保軸子根本不可能是暗物質的組成部分。新的結果隻是朝著這個方向邁出的第一步；它們隻是一個全新的高度跨學科領域的開始，這個領域有可能極大地推進對軸子的研究。

(责任编辑：黑龍江省)