脉冲星可能使暗物质发光

持续寻找暗物质的核心问题是：它是由什么构成的?一种可能的答案是暗物质由称为轴子的粒子组成。由阿姆斯特丹大学和普林斯顿大学的研究人员领导的一个天体物理学家团队现已证明，如果暗物质由轴子组成，它可能会以来自脉动恒星的微妙附加发光的形式显现出来。他们的工作发表在《物理评论快报》杂志上。

暗物质可能是我们宇宙中最受欢迎的成分。令人惊讶的是，这种神秘的物质形式，物理学家和天文学家迄今为止尚未能够探测到，却被认为构成了宇宙中物质的很大一部分。

宇宙中至少85%的物质被怀疑是“暗物质”，目前只能通过它对其他天体施加的引力来观察。可以理解的是，科学家们想要更多。他们希望真正看到暗物质，或者至少直接检测到它的存在，而不仅仅是从引力效应中推断它。当然：他们想知道它是什么。

清理两个问题

有一点是明确的：暗物质不可能与你我是同一类型的物质。如果是这样的话，暗物质的行为就会像普通物质一样——它会形成像恒星一样的物体，发光，并且不再是“暗的”。因此，科学家们正在寻找新的东西——一种还没有人检测到的粒子，它可能只与我们已知的粒子类型相互作用非常微弱，这解释了为什么我们世界的这一组成部分迄今为止仍然难以捉摸。

有很多线索可以告诉你去哪里寻找。一种流行的假设是暗物质可能由轴子构成。这种假设类型的粒子首次在20世纪70年代被引入，以解决与暗物质无关的问题。中子(普通原子的组成部分之一)内部正负电荷的分离结果出乎意料地小。科学家们当然想知道原因。

事实证明，一种迄今为止未被检测到的粒子类型的存在，与中子成分的相互作用非常微弱，可能会引起正是这样的效应。后来的诺贝尔奖获得者弗兰克·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名称相似，而且还受到同名洗衣粉的启发。轴子的存在是为了解决问题。

事实上，尽管从未被发现，但它可能会清理两个。几种基本粒子理论，包括弦理论(统一自然界中所有力的主要候选理论之一)似乎预测轴子状粒子可能存在。如果轴子确实存在，它们是否也构成了部分甚至全部缺失的暗物质?也许吧，但困扰所有暗物质研究的另一个问题对于轴子同样有效：如果是这样，那么我们如何才能看到它们?如何使“黑暗”的东西变得可见?

照亮暗物质

幸运的是，对于轴子来说，似乎有办法解决这个难题。如果预测轴子的理论是正确的，那么它们不仅有望在宇宙中大量产生，而且一些轴子还可以在强电磁场的存在下转化为光。一旦有光，我们就能看见。这是否是探测轴子从而探测暗物质的关键?

为了回答这个问题，科学家首先必须问自己，宇宙中已知最强的电场和磁场发生在哪里。答案是：在旋转中子星(也称为脉冲星)周围的区域。这些脉冲星(“脉动恒星”的缩写)是致密天体，质量与太阳大致相同，但半径小约100,000倍，仅约10公里。由于脉冲星如此之小，因此以巨大的频率旋转，沿着其旋转轴发射出明亮的窄射电光束。与灯塔类似，脉冲星的光束可以扫过地球，使脉动恒星很容易被观测到。

然而，脉冲星巨大的自转的作用还不止于此。它将中子星变成一个极强的电磁体。反过来，这可能意味着脉冲星是非常高效的轴子工厂。平均脉冲星每秒能够产生50位数字的轴子。由于脉冲星周围存在强大的电磁场，这些轴子的一部分可以转化为可观测的光。也就是说：如果轴子真的存在的话——但现在可以用这个机制来回答这个问题。只需观察脉冲星，看看它们是否发出额外的光，如果发出，则确定这些额外的光是否来自轴子。

模拟微妙的发光

正如科学界一贯的那样，实际进行这样的观察当然并不那么简单。轴子发出的光(可以以无线电波的形式检测到)仅占这些明亮的宇宙灯塔向我们发出的总光的一小部分。人们需要非常精确地知道没有轴子的脉冲星会是什么样子，以及有轴子的脉冲星会是什么样子，才能看到差异，更不用说量化这种差异并将其转化为暗量的测量值事情。

这正是物理学家和天文学家团队现在所做的事情。在荷兰、葡萄牙和美国的共同努力下，该团队构建了一个全面的理论框架，可以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进行的。，它们转化为低能无线电辐射。

然后将理论结果输入计算机，使用最先进的数值等离子体模拟来模拟脉冲星周围轴子的产生，这些模拟最初是为了了解脉冲星如何发射无线电波背后的物理原理而开发的。一旦虚拟生产出来，轴子通过中子星电磁场的传播就被模拟了。这使得研究人员能够定量地了解无线电波的后续产生，并模拟该过程如何在脉冲星本身产生的固有发射之上提供额外的无线电信号。

对轴子模型进行测试

然后将理论和模拟的结果进行第一次观察测试。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，看看测量到的任何过量信号是否可以为轴子的存在提供证据。不幸的是，答案是“不”——或者更乐观地说：“还没有”。轴子不会立即跳到我们面前，但这也许是出乎意料的。如果暗物质这么容易就泄露了它的秘密，那么它很久以前就已经被观测到了。

因此，对轴子进行确凿检测的希望现在寄托在未来的观测上。与此同时，目前未观测到来自轴子的无线电信号本身就是一个有趣的结果。模拟与实际脉冲星之间的首次比较对轴子与光的相互作用提出了迄今为止最严格的限制。

当然，最终目标不仅仅是设定限制——它要么表明轴子存在，要么确保轴子根本不可能是暗物质的组成部分。新的结果只是朝这个方向迈出的第一步。它们只是一个全新的、高度跨学科领域的开始，该领域有可能极大地推进轴子的研究。