物理学家发现，一种称为轴子（axions）的非常轻的粒子可能在围绕中子星的巨大群体中存在。这些轴子可能有助于解释宇宙学家一直在寻找的神秘暗物质，并且甚至可能相对容易被探测到。
来自阿姆斯特丹、普林斯顿和牛津的一个合作物理学家团队揭示，异常轻的粒子轴子可能在中子星周围形成广泛的云团。这些轴子可能为宇宙学家寻找的神秘暗物质提供解释，值得注意的是，它们可能不会非常难以探测。
本周，他们的最新发现发表在期刊Physical Review X上。这项研究建立在之前的研究基础上，之前的研究同样由同一作者进行，但从不同的角度考察了轴子和中子星。在他们之前的研究中，重点关注的是从中子星“逃逸”的轴子，而这次，研究人员则在研究那些留下来的轴子，特别是被星体强大的引力吸引的轴子。随着时间的推移，这些粒子预计会逐渐聚集成一个雾状云团，在中子星周围，这确实有可能被我们的望远镜探测到。但是什么让这些遥远的星云吸引了天文学家和物理学家呢？
轴子：从肥皂到暗物质的联系
许多人对质子、中子、电子和光子较为熟悉。然而，轴子则鲜为人知，而且有充分的理由：到目前为止，它们仅是一种“理论”粒子，尚未被观察到。它们的名称源自一个肥皂品牌，反映了它们被提出用于解决与一种研究充分的粒子——中子——相关的问题。尽管它们在理论上的吸引力令人关注，但如果轴子确实存在，它们将是极其轻的，这使得通过实验或观测来探测它们变得非常困难。
目前，轴子被认为是解释暗物质的主要候选者，暗物质是现代物理学中最重要的难题之一。很多观测表明，宇宙中约85%的物质是“暗的”，也就是说，它不由任何已知或当前可观察的物质类型构成。相反，暗物质的存在是通过对可见物质的引力效应推断出来的。幸运的是，这并不固有地意味着暗物质没有与可见物质的可测交互；如果存在此类交互，它们可能非常微弱。因此，任何潜在的暗物质候选者都极其难以直接观察。
在这种背景下，物理学家推测，轴子可能是解开暗物质之谜的关键。一个未被探测到、拥有微小质量并与其他粒子几乎没有交互的粒子……轴子可能真的会成为暗物质谜题的一部分吗？
中子星作为观测站
轴子作为暗物质候选者的概念令人振奋，但在物理学中，只有当一个想法能带来可观察的结果时，它才真正有价值。是否有办法在提出轴子五十年后，最终检测到它们？
据预测，当轴子受到电场和磁场的影响时，它们会转化为光子——光粒子——反之亦然。虽然我们知道如何观察光，但正如前面提到的，交互强度预期是非常微弱的，这导致仅有少量光由轴子发射。也就是说，除非环境中有大量的轴子处于强电磁场中。
这一考量促使研究人员把注意力集中在中子星上，这是我们宇宙中密度最高的星体。这些星体的质量与太阳相当，但压缩到仅有12到15公里的大小。这种极端的密度产生了同样极端的环境，具有数十亿倍于地球上任何发现的强磁场。最近的发现表明，如果轴子确实存在，中子星的磁场可能会在其表面附近促进这些粒子的批量生成。
留下来的轴子
在之前的研究中，重点是分析那些成功从星体逃逸的轴子——分析它们将产生的数量、轨迹，以及它们转化为光如何可能产生微弱但可观察的信号。然而这一次，他们正在研究那些没有逃逸的轴子——尽管质量极小，仍然受中子星巨大引力的影响。
鉴于轴子与其他粒子的交互极其微弱，这些粒子会停留在附近，随着数百万年的时间逐渐在中子星周围聚集。这一过程可能会导致在中子星周围形成密集的轴子云，为轴子研究创造新的激动人心的可能性。研究人员深入探讨了这些轴子云的形成、特性及其演变，声称它们应该并且往往必须存在。实际上，作者主张如果轴子真实存在，这些云应该是常见的（在大多数甚至所有中子星周围形成，涵盖各种轴子特性），特别是非常密集（可能比当地暗物质密度高20个数量级），因此能够产生强观测信号。这些信号可能采取多种形式；作者讨论了两种：一个在中子星生命周期中发出的持续信号，以及在中子星生命结束时，在停止电磁辐射时释放的短暂光脉冲。这两种潜在的特征信号都可以被检测到，并用来研究超出现有限制的轴子与光子的相互作用，甚至可以借助当前的射电望远镜。
接下来是什么？
虽然尚未检测到轴子云，但新的发现为我们确切应该寻找什么提供了明确的信息，使得寻找轴子变得更加可行。因此，议程上的首要项目是“寻找轴子云”，但这项研究也为各种新的理论研究铺平了道路。
其中一位作者已经开始进行后续研究，探讨轴子云如何可能影响中子星的动力学。未来研究的另一个关键方向是轴子云的数值建模：尽管目前的论文表明了重大发现潜力，但仍需进一步建模以更精确地识别观察的事项和位置。最后，目前的结果仅与个别中子星有关，但许多中子星存在于双星系统中——要么与另一颗中子星、要么与黑洞一起理解。在这种系统中把握轴子云的物理特性并理解其观测信号将是极为有益的。
总之，这项研究标志着在一个激动人心的新研究领域的重大进展。全面理解轴子云将需要多个科学领域的合作努力，包括粒子（天）物理学、等离子体物理学和观测射电天文学。这项工作开启了一个充满未来探索机会的新跨学科领域。
