驚天發現：暗物質或藏身於恆星殘骸濃霧中

科學家們認爲，被稱爲“軸子”的假設粒子形成的“雲團”有可能圍繞着被稱爲“中子星”的極端死亡恆星。如果這是真的，這可能會讓我們離解開暗物質之謎更近一步。

這是由阿姆斯特丹大學的迪翁·諾德休斯領導的一組研究人員得出的結論。他們之前研究了被稱爲“軸子”的特定暗物質候選者從中子星逃逸後會發生什麼。這些極其輕量的粒子是假設的，因爲它們從未被實際檢測到，與暗物質非常匹配。這是因爲，如果它們存在，它們與“普通”物質和光的相互作用會非常微弱。這就是暗物質實際上不可見的方面。

諾德休斯和同事們現在將注意力轉向了這種大膽逃逸後留下的軸子，發現由於死亡恆星的奇特性質，這些粒子可能會在中子星周圍聚集，形成密集的雲團。

“如果軸子云，進而軸子被發現，這將是解決暗物質問題的重大一步，”諾德休斯告訴 Space.com。“問題在於：爲什麼中子星是產生軸子云的合適天體？”但是軸子云的聚集是如何發生的，爲什麼是中子星而不是，比如說，黑洞是聚集這些軸子云的理想天體？這始於暗物質，從而軸子，與引力相互作用的事實——而中子星在這種情況下是“恰到好處”的，引力影響剛剛好但又不過多。

要理解爲什麼暗物質對科學家來說是如此大的挑戰，想想我們周圍看到的所有物質——從恆星、行星、衛星到人類、咖啡桌甚至貓——所佔的物質不超過宇宙物質的 15%。另外 85%，暗物質，實際上是不可見的，因爲它要麼不與光相互作用（或者，至少，相互作用極其微弱）。

軸子是暗物質粒子的當前主要候選者，該團隊理論認爲，一種巧妙的技術能夠讓當前的望遠鏡觀察到這些被稱爲中子星“陷阱”，也就是這些恆星在時空結構中創造的“井”周圍的暗物質“雲團”。

該團隊推斷，如果軸子的質量在當前理論模型支持的一定範圍內，那麼中子星將被這些暗物質粒子的雲所包圍。

研究人員表示，一個令人驚訝的發現是，這種雲團的聚集將是“普遍的”，這意味着它不僅限於具有某些特質的中子星。這意味着軸子云可能會聚集在年輕的、旋轉速度快且能從極點射出光線的中子星（被稱爲“脈衝星”）周圍，也可能會聚集在已經減速且不像旋轉的宇宙燈塔那樣的較老的中子星周圍。此外，對於所有類型的軸子，這種雲團聚集的行爲都應該會發生。

努德豪斯和他的同事指出，軸子云會非常密集，在中子星的漫長生命中，其能夠超過局部暗物質密度 20 多個數量級。這種密度很重要，因爲儘管軸子與光和物質的相互作用很弱且罕見，但當有足夠多的這些粒子聚集在一起時，可能會產生確實可檢測到的“增強信號”。

他補充道，假設的軸子與光粒子或光子之間的相互作用強度非常小，這比我們目前的望遠鏡技術所能探測到的要弱得多。然而，當中子星周圍經過數百萬年形成密集的軸子云團時，這種情況可能會改變。望遠鏡應該能夠探測到這些雲團。

“一旦軸子云充分形成，就會有大量軸子轉化爲光粒子，並以無線電波的形式產生強大的觀測特徵，”努德豪斯說。

要弄明白爲什麼中子星是聚集密集軸子云的理想天體，有必要探究它們的極端特徵源自哪裡。

當質量至少爲太陽八倍的恆星在其核心核聚變所需的燃料供應結束時，便會誕生中子星。這也切斷了在其一生中支撐恆星對抗自身引力向內擠壓的向外能量或“輻射壓力”。

這會致使大質量恆星核心出現完全的引力坍縮。

這種恆星的崩塌會向恆星的上層釋放出衝擊波，引發巨大的超新星爆炸，炸飛恆星的大部分質量。

其結果是，一個質量在太陽的一到兩倍之間的天體，被壓縮成一個寬度約爲 12 英里（20 公里）的天體，能夠裝進曼哈頓的邊界內。這便是中子星。

僅僅因爲一顆中子星能夠裝進地球上普通城市的市區範圍，並不意味着把一顆帶回家是個好點子（即便這種事有可能）。

大質量恆星核心的引力坍縮會造就一個富含中子的物質海洋，中子通常和質子一同存在於原子核中。

這些中性粒子所具有的一種被稱作“中子簡併”的量子物理特性，阻止了中子星的進一步坍縮。

倘若恆星核心具備足夠的質量，這種特性便會被克服，進而導致完全的引力坍縮，形成一個黑洞。

構成中子星的富含中子的那種物質，是宇宙中已知密度最大的物質。

它的密度如此之高，如果把一茶匙的中子星“物質”帶到地球上，其重量將達 1000 萬噸。這相當於在一茶匙上堆疊 85000 頭藍鯨。

隨之而來的是一個極爲強大的引力場，這讓這些死星成爲理想的軸子陷阱。

“由於其強大的引力場，中子星是捕獲部分產生的軸子的合適天體，”諾德休斯說。

中子星周圍的巨大引力並不是這些恆星殘餘物助其聚集軸子密集雲的唯一特性。當中子星的恆星核心坍縮時，該恆星的磁場線會被擠壓在一起。磁場線靠得越近，磁場就越強。

因此，中子星擁有已知宇宙中最強的磁場。這導致它們被由稱爲等離子體的帶電粒子組成的電離氣體所包圍。

“中子星被稱爲磁層的等離子體所環繞，這使得在中子星極上方能夠存在一個振盪的電磁場，能夠產生軸子，”諾德休斯解釋說。“中子星擁有宇宙中最強的磁場，加強了軸子和光子之間的相互作用。”

“這意味着不僅可以在中子星周圍產生軸子，而且可以產生大量的這些粒子。”

軸子可能單獨與光子的相互作用很弱，但當它們集體聚集在密集雲中時，這種軸子與光的相互作用可以被追蹤。

該團隊確定了兩個表明軸子云存在的信號。第一個是在中子星大部分壽命期間發出的連續信號。此信號將代表在中子星所發出的固有光之上出現的額外成分。第二個是在中子星生命結束時發出的瞬態信號，即當中子星停止產生從其兩極旋轉射出的雙束光之時，橫掃宇宙併產生快速旋轉的中子星或“脈衝星”的“燈塔”效應。

“這種瞬態信號是中子星環境在其‘死亡’時發生劇烈變化的結果，”諾德休斯繼續說道。“這兩個信號都有可能探測到軸子和光子之間的耦合，突破當前的限制，甚至利用現有的 射電望遠鏡 基礎設施。”

當然，這項研究還處於非常早期的階段，即使檢測到軸子，它們也可能無法解釋暗物質。此外，它們可能不是構成這種神秘物質形式的唯一粒子，目前只能通過其與 引力 的相互作用來推斷。

“這是首次討論這種類型的軸子云，所以自然還有很多工作要做，”諾德休斯說。“已經有後續研究專注於這些束縛軸子是如何改變中子星本身的動力學的。例如，在這個方向上，關於軸子和這些系統中的電動力學之間的非平凡相互作用，更多的工作肯定也會隨之而來。”

對於一個跨越從天體物理學到粒子物理學等科學學科的理論，需要各領域之間的大量合作來充分研究暗物質、軸子和中子星之間的潛在聯繫，這並不令人感到意外。

“對軸子云的全面理解將需要來自物理學多個分支的互補努力，包括粒子 天體物理學、等離子體物理學和觀測射電天文學，”諾德休斯說。這項工作從而開闢了一個新的跨學科領域，爲未來的研究提供了大量機會。”

該團隊的研究在 10 月 17 號被刊登在《物理評論 X》這本雜誌上啦。