脉冲星可能使暗物质发光？

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翻译：张瀚之

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

https://www.sciencedaily.com/releases/2023/10/231006104524.htm

DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.111004

暗物质搜寻的核心问题其实是：暗物质到底是由什么组成的？一个非常可能的答案是，暗物质由被称为轴子（axion）的粒子组成。一组天体物理学家已经表明，如果暗物质真的由轴子组成，它可能会以来自脉动恒星的光束的形式出现。

暗物质可能是现在天文学中“最受欢迎”的大热话题了。但其实，物理学家和天文学家们迄今为止还未能探测到这种神秘的物质到底是什么构成的，是以什么方式存在的。不过，暗物质被认为构成了现存物质的绝大部分：宇宙中不少于85%的物质被怀疑是“暗”的，目前只有通过它对其他天体施加的引力才能观察到。但是，我们想真正看到暗物质或者直接探测它的存在，而不仅仅是从引力效应中推断它。

大约80%的宇宙质量是由暗物质组成的，但它到底是什么？

图片来源：MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY

两个关键问题

不过，有一点是明确的：暗物质不可能是你和我组成的同一类型的物质。因为，如果是这样的话，暗物质的特性就会像普通物质一样了——它会形成像恒星一样的物体，发光，就不是“暗”的。因此，科学家们正在寻找新的物质：一种迄今为止还没有人探测到的粒子，它可能我们所知的粒子相互作用很弱，这也解释了我们为什么一直没有发现它。

暗物质似乎以网络状的模式分布在宇宙中，星系团就在暗物质纤维相交的节点形成。

图片来源：WGBH

不过，暗物质给我们留下了很多线索。一个流行的假设是暗物质可能由轴子（axion）组成。轴子这种假想的粒子最早是在20世纪70年代引入的，目的是解决一个与暗物质没太大关系的问题。当时科学家们想知道为什么中子（普通原子的组成部分之一）内部正负电荷分离非常非常的小。结果就是，有一种我们从来没有研究过的粒子与中子进行了微弱的相互作用，引起小正负电荷分离的现象。后来的诺贝尔奖得主弗兰克·威尔切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，（而且受到了同名洗衣粉的启发，哈哈哈。）

诺奖得主弗兰克·威尔切克

图片来源：ASU

其实很多关于基本粒子的理论，包括弦理论（认为所有基本粒子都是一维弦的振动表现，是统一自然界所有力的主要“候选”理论之一）似乎都在强调着轴子的存在。如果轴子确实存在，它们是否也会构成暗物质的一部分甚至全部？困扰着所有暗物质研究的另一个问题是：如果是这样，那么我们如何才能看到它们？如何使“黑暗”的物质可见？

照亮暗物质

幸运的是，轴子似乎有办法。目前的主流观点是，如果预测轴子存在的理论是正确的，那么它们不仅有望是真的在宇宙中大规模存在的，而且一些轴子还可以在强电磁场的存在下转化为光。一旦有了光，我们就能看见这些“黑暗”物质了。这会是探测轴子的关键吗？从而，甚至帮助我们看到暗物质？

为了回答这个问题，科学家们得首先弄清楚宇宙中已知最强的电场和磁场发生在哪里。答案很简单：在旋转中子星周围的区域，也就是脉冲星。脉冲星是密度很高的天体，虽然质量与太阳的质量大致相同，但脉冲星的半径约比太阳小10万倍。脉冲星体积小，自转频率高，所以会沿着旋转轴发射出射电辐射。类似于灯塔一样，脉动星很容易被观测到。

显示中子星中，轴子产生的示意图

图片来源：Dion Noordhuis, Anirudh Prabhu, Samuel J. Witte, Alexander Y. Chen, Fábio Cruz, Christoph Weniger. Novel Constraints on Axions Produced in Pulsar Polar-Cap Cascades. Physical Review Letters, 2023.

脉冲星巨大的自转把它自己变成了一个非常强大的电磁体。这意味着脉冲星是一个非常高效的“轴子工厂”。平均每一秒，一颗脉冲星就能产生50位数的轴子。由于脉冲星周围的强电磁场，这些轴子中的一小部分可以转化为可观测的光。也就是说：如果轴子真的存在，只要看看脉冲星，看看它们是否会发出额外的光，如果会，就可以确定这些额外的光是否来自轴子。

模拟脉冲星光

但是正如所有科研一样，实际进行观测当然没有那么简单。轴子发出的光（可以在射电波段探测到）只会是这些明亮宇宙灯塔脉冲星们向我们发送的所有光的一小部分。天体物理学家们需要非常精确地知道没有轴子的脉冲星会是什么样，有轴子的脉动星会是怎样的样，才能区分出轴子。没能达到这一步，就更不用说量化这种差异并将其转化为暗物质量的测量依据了。

好消息是这正是一个团队现在所做的。在荷兰、葡萄牙和美国科学家们的合作中，该团队构建了一个全面的理论框架，使我们能够详细了解：轴子是如何产生的，轴子如何逃脱中子星的引力，以及在逃逸过程中如何转化为能量较低的射电辐射。

科学家们已经将理论结果放在了计算机上，并且使用了最先进的数值等离子体模拟来模拟脉冲星周围的轴子（这些模拟最初是为了了解脉冲星如何产生射电辐射背后的原理而开发的）。一旦模拟成功，研究人员们就能够定量地分析由轴子的射电辐射，并进行建模。

对轴子模型进行测试

在得出理论和模拟的结果后，研究人员们就紧锣密鼓的进行了第一次观测测试。研究人员利用附近27颗脉冲星的观测结果，将观测到的无线电波与模型进行了比较，看看是否有任何测量到的电波可以为轴子的存在提供证据。不幸的是，答案是“没有”，或者说：“还没有”。也许这是意料之中的事，如果暗物质如此轻易地就现身了的话，它早就被观测到了。

因此，对轴子进行确凿探测的希望还是取决于未来的观测数据。同时，目前没有观测到轴子的射电信号本身就是一个有趣的结果：模拟脉冲星和实际脉冲星之间的首次比较得到了通过限制轴子与光子的相互作用给出的关于轴子质量迄今为止最强的限制。

校对注：原文中提到是利用全新的框架来模拟从轴子的产生到探测到射电波段光子的过程，利用对27颗脉冲星的观测得到轴子-光子耦合参数g_(αγγ)的约束，然后利用2.5维的particle-in-cell模型模拟的预测与半解析模型的预测进行比较，认为两种模型给出的结果具有一致性，将耦合参数限制在一个很小的范围内，并给出了迄今为止对轴子质量的最强限制：10^-8eV≲m_a≲10^-5eV，且这一结果并不依赖于轴子是暗物质的假设。

当然，最终目标不仅仅是给出约束，而是要么证明轴子的存在，要么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，是一个开始。对于暗物质领域的探测前途一片光明。

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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模拟宇宙中的暗物质
图片来源：Tom Abel & Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH

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