来自阿姆斯特丹大学、普林斯顿大学和牛津大学的物理学家团队发现，中子星周围的大片云层中可能存在极轻的粒子，即轴子。这些轴子可以解释宇宙学家所寻找的难以捉摸的暗物质——而且，它们可能不太难观测。

物理学家表明中子星可能被轴子云所笼罩

该项研究发表在《物理评论X》杂志上，是之前研究的后续，在之前研究中，作者也研究了轴子和中子星，但是从完全不同的角度进行。

在之前的工作中，他们研究了逃离中子星的轴子，而现在研究人员将重点放在了那些被遗留下来的轴子上——被恒星引力捕获的轴子。随着时间的推移，这些粒子应该会逐渐在中子星周围形成一团朦胧的云，事实证明，这样的轴子云很可能在我们的望远镜中观测到。但为什么天文学家和物理学家会对遥远恒星周围的朦胧云如此感兴趣呢?

轴子：从肥皂到暗物质

质子、中子、电子、光子——我们大多数人都熟悉这些微小粒子中的至少一些名称。轴子鲜为人知，原因很简单：目前它只是一种假设的粒子——一种尚未被人探测到的粒子。

轴子以肥皂品牌命名，其存在最早是在20世纪70年代提出的，目的是为了解决我们对中子这一我们能很好地观察到的粒子的理解问题(因此以肥皂命名)。然而，尽管这些轴子在理论上非常好，但如果它们存在，它们会非常轻，因此很难在实验或观察中检测到它们。

如今，轴子也被认为是解释暗物质的热门候选者，暗物质是当代物理学中最大的谜团之一。许多不同的证据表明，我们宇宙中大约85%的物质是“暗”的，这仅仅意味着它不是由我们目前已知和可以观察到的任何类型的物质组成的。

相反，暗物质的存在只能通过其对可见物质施加的引力影响间接推断出来。幸运的是，这并不意味着暗物质与可见物质之间没有任何相互作用，但如果存在这样的相互作用，其强度必然很小。顾名思义，任何可行的暗物质候选者都极难直接观察到。

综合考虑，物理学家们意识到轴子可能正是他们要寻找的解决暗物质问题的东西。轴子是一种尚未被观测到的粒子，它非常轻，与其他粒子的相互作用非常弱……轴子至少可以解释暗物质的部分原因吗?

中子星作为放大镜

轴子是暗物质粒子的想法很好，但在物理学中，只有当一个想法具有可观察的后果时，它才是真正好的。在轴子可能存在的理论首次提出50年后，我们是否还有办法观察轴子呢?

当轴子暴露在电场和磁场中时，它们有望转换成光子(光粒子)，反之亦然。光是我们知道如何观察的东西，但如上所述，相应的相互作用强度应该非常小，因此轴子通常产生的光量也很小。也就是说，除非考虑一个包含大量轴子的环境，理想情况下是在非常强的电磁场中。

这让研究人员开始考虑中子星，它是宇宙中已知的最致密的恒星。这些物体的质量与太阳相似，但被压缩成12至15公里大小的恒星。

如此极端的密度创造了同样极端的环境，值得注意的是，它还包含巨大的磁场，比我们在地球上发现的任何磁场强数十亿倍。最近的研究表明，如果轴子存在，这些磁场可以让中子星在其表面附近大量产生这些粒子。

在之前的工作中，作者重点研究了产生后逃离恒星的轴子——他们计算了这些轴子的产生量、它们将遵循的轨迹，以及它们如何转化为光并产生微弱但可能可观测的信号。

这一次，他们考虑了那些未能逃逸的轴子——尽管它们质量很小，但却被中子星巨大的引力捕获。

由于轴子的相互作用非常微弱，这些粒子会停留在中子星周围，并在长达数百万年的时间里聚集在中子星周围。这可能导致中子星周围形成非常密集的轴子云，这为轴子研究提供了一些令人难以置信的新机会。

研究人员在论文中研究了这些轴子云的形成、特性和进一步演化，并指出它们应该存在，而且在许多情况下必须存在。

事实上，作者认为，如果轴子存在，轴子云应该是通用的(就广泛的轴子特性而言，它们应该在大多数甚至所有中子星周围形成)，它们通常应该非常密集(形成的密度可能比局部暗物质密度大二十个数量级)，因此它们应该会导致强大的观测特征。

后者可能有很多种类型，作者讨论了其中两种：一种是中子星生命大部分时间发射的连续信号，另一种是中子星生命末期停止产生电磁辐射时发出的一次性光爆发。这两种信号都可以被观察到，并用于探测超出当前极限的轴子和光子之间的相互作用，甚至可以使用现有的射电望远镜。

下一步是什么?

虽然到目前为止还没有观测到轴子云，但有了新的结果，我们非常清楚要寻找什么，这使得彻底寻找轴子变得更加可行。因此，虽然待办事项清单上的重点是“寻找轴子云”，但这项工作也开辟了几条新的理论探索途径。

首先，其中一位作者已经参与了后续研究，研究轴子云如何改变中子星本身的动力学。另一个重要的未来研究方向是轴子云的数值建模：本论文显示出巨大的发现潜力，但需要更多的数值建模才能更准确地知道要寻找什么以及在哪里寻找。

最后，目前的结果都是针对单中子星的，但其中许多恒星都是双星的组成部分——有时与另一颗中子星一起，有时与黑洞一起。了解此类系统中轴子云的物理特性，并可能了解它们的观测信号，将非常有价值。

因此，本研究是朝着新的、令人兴奋的研究方向迈出的重要一步。全面了解轴子云需要多个科学分支的相互配合，包括粒子(天体)物理学、等离子体物理学和观测射电天文学。

这项工作开辟了这个新的跨学科领域，为未来的研究提供了大量机会。