一颗垂死的恒星可能揭开宇宙暗物质的谜团

研究人员认为，银河系中的一颗超新星可能会从轴子中发射出可探测到的伽马射线，从而揭示暗物质的秘密。 这一发现将为人们深入了解这种难以捉摸的粒子的特性及其在宇宙中的作用提供重要线索。

韦伯的近红外相机（NIRCam）捕捉到了这幅SN 1987A（超新星1987A）的详细图像。

近一个世纪以来，科学家们一直在努力揭开暗物质的神秘面纱。 暗物质在 20 世纪 60 年代被提出来解释星系旋转的原因，它既不发光，也不与光和其他形式的电磁辐射相互作用。 它被认为只通过引力相互作用，占宇宙总质量的 85% 之多。 暗物质是被广泛接受的兰姆达冷暗物质（LCDM）宇宙学模型的核心，在我们了解宇宙的过程中起着至关重要的作用。 然而，它的真实性质仍然难以捉摸。

这一探索中最有希望的线索之一是轴子--一种假想的低质量粒子，最早于20世纪70年代提出，用于解决量子物理学中尚未解决的问题。 最近的研究进展表明，轴子可能会在特定条件下显现出来，例如在中子星周围的强磁场中。

由加州大学伯克利分校的天体物理学家在美国能源部的支持下进行的一项突破性研究表明，轴子可能在附近的超新星爆炸后的瞬间被探测到。 据研究人员称，轴子在这种事件中产生的伽马射线可以提供这些粒子的第一个直接证据，从而有可能解开科学界最大的谜团之一。

这项研究由伯克利理论物理中心（BCTP）的研究人员和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）理论物理小组的成员共同完成。 描述他们研究成果的论文最近发表在Physical Review Letters杂志上。 他们认为，在大质量恒星发生内核坍缩并成为中子星后的最初10秒内，会产生大量轴子。 这些轴子随后会逃逸，并在恒星的强磁场中转化为高能伽马射线。

几十年来，寻找暗物质的工作主要集中在大质量紧密光环天体（MACHOs）上。 当它们未能实现时，物理学家开始考虑弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，WIMPs）作为最有可能的候选者，但也未能找到任何具体的东西。 这导致轴子成为最被广泛接受的候选粒子，它是一种符合粒子物理标准模型的基本粒子，解决了量子力学中几个悬而未决的问题--包括万物理论（ToE）。

轴子的最强候选者是量子色动力学（QCD）轴子，理论上它与所有物质都有相互作用，尽管很微弱。 正如以前的研究所显示的，轴子偶尔会在强磁场的作用下变成光子，并可以被探测到。 不过，这种探测非常具有挑战性，因为它需要超新星就在附近（在银河系或其卫星星系内）。 此外，可观测到的超新星非常罕见，每几十年才发生一次。

天文学家上一次观测到这种现象是在1987年，当时一颗II型超新星（SN1987A）突然出现在距离地球大约168，000光年的大麦哲伦云（LMC）中。 当时，NASA的太阳极大任务（SMM）正在观测LMC，但灵敏度不够，无法探测到预测的伽马射线强度。 加州大学伯克利分校物理学副教授、论文资深作者本杰明-萨夫迪（Benjamin Safdi）在最近的加州大学伯克利分校新闻声明中解释说：

"如果我们用现代伽马射线望远镜看到一颗超新星，比如超新星1987A，我们就能在它的大部分参数空间里探测到或排除这个QCD轴子，这个最有趣的轴子--基本上是实验室里无法探测到的整个参数空间，以及实验室里可以探测到的大部分参数空间。 而这一切都将在 10 秒钟内发生。"

费米伽马射线太空望远镜利用最高能量形式的光观测宇宙，为人们了解宇宙中最极端的现象提供了一个重要窗口，从伽马射线暴和黑洞喷流到脉冲星、超新星残骸和宇宙射线的起源。 图片来源：© Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

萨夫迪和他的同事们通过一系列超级计算机模拟，利用SN1987A来约束质量更高的轴子，从而确定II型超新星会同时产生伽马射线和中微子爆发。 他们进一步指出，产生的伽马射线将取决于轴子的质量，并且只在中子星形成后持续10秒钟。 之后，产生率将急剧下降。 这意味着伽马射线太空望远镜必须在准确的时间指向超新星。

费米伽马射线太空望远镜是目前唯一能够探测到宇宙伽马射线源的天文台。 根据其视场，科学家们估计费米望远镜发现超新星的几率大约为十分之一。 为此，研究小组建议我们制造下一代伽马射线望远镜，即银河系超新星AXion仪器（GALAXIS）。

萨夫迪说："这确实让我们开始考虑将中子星作为寻找轴子的最佳目标，将其作为轴子实验室。 中子星有很多优点。 它们是极热的天体。 它们还拥有非常强的磁场。 宇宙中最强的磁场出现在中子星周围，例如磁星，它们的磁场比我们在实验室中构建的任何东西都要强数百亿倍。 这有助于将这些轴子转换成可观测的信号。"

正如他们所指出的，只要探测到一次伽马射线，就能在理论质量的巨大范围内精确定位轴心的质量，从而使实验室实验能够重新集中精力确认这一质量。 即使没有探测到伽马射线，也意味着科学家们可以排除很大范围内轴子的潜在质量，这将大大缩小暗物质的搜索范围。 与此同时，萨夫迪和他的同事们希望费米望远镜能碰上好运气。

他补充说："轴子的最佳情况是费米望远镜捕捉到一颗超新星。 只是这种可能性很小。 但如果费米看到了它，我们就能测量出它的质量。 我们就能测量它的相互作用强度 我们将能够确定我们需要知道的关于轴子的一切，并对信号充满信心，因为没有任何普通物质能够制造出这样的事件。"

改编自今日宇宙上最初发表的一篇文章。