我们终于知道去哪里寻找宇宙中最受欢迎的粒子了

具有极端旋转倾向的中子星可能会产生宇宙中最受欢迎的粒子之一。这些基本粒子被称为轴子（Axions），到目前为止，它们纯粹是假设的。如果我们真的能找到它们，我们就能解决宇宙中一些最大的问题，包括至少一种暗物质的身份。如果这些快速旋转的恒星能够有效地捕获轴子，那么难以捉摸的粒子可能会被隔离在足够高的数量上，最终被探测到。这将为我们提供一些关于轴子性质和性质的重要线索，比如它的质量。自从物理学家在20世纪70年代提出轴子的存在以来，天文学家一直在寻找有关轴子的线索。有点像中微子，它们被认为与其他物质的相互作用很弱，这使得它们很难被探测到。然而，如果它们在一定的质量范围内，它们的行为就会和暗物质完全一样，会产生明显的引力效应，而这种效应不能仅仅根据宇宙中正常物质的数量来解释。理论上，轴子在足够强的磁场下很容易衰变成光子对，有效地使它们可见。在强磁场附近没有容易确定的光源的情况下，发现多余的光可能是轴子衰变的迹象。中子星拥有难以置信的强大磁场。这些物体是大质量恒星的核心，这些恒星已经变成超新星，坍缩成热的、超密集的质量，它们被挤压在一起，表现得很像一个城市大小的单个原子核。这个物体产生的磁场比地球强数万亿倍；如果其他中子星特征没有首先出现，它的强度足以杀死你。脉冲星是一种额外扭曲的中子星：它以疯狂的高速度旋转，通常快到毫秒级。当它这样做时，强大的射电发射束从脉冲星的两极爆炸，因此它看起来像宇宙灯塔一样在太空中脉冲。这种自旋还有另一个作用：它似乎增加了中子星磁场的力量。阿姆斯特丹大学的物理学家迪翁 · 诺德豪斯（Dion Noordhuis）和他的同事去年发表了一篇论文，发现这些快速旋转的恒星每分钟能够产生50位数的轴子。当它们逃离恒星时，这些轴子会穿过它的磁场，转化为光子，使脉冲星比应有的亮度稍微亮一点。在分析了大量脉冲星后，他们无法探测到任何额外的光。这并不意味着这些假设的粒子不存在；只是，如果轴子存在，它们可能产生的信号就会受到更严格的限制。根据一篇继续先前研究的新论文，被恒星极端引力捕获的轴子也应该产生信号。随着时间的推移 —— 也许是百万年的时间尺度 —— 轴子应该在脉冲星附近积累，在中子星的生命周期内持续存在，在恒星表面形成一层微弱的朦胧层。根据研究小组的分析，这些轴子云 —— 如果它们存在的话 —— 对中子星来说应该是正常的，这意味着它们即使不是全部，也至少是大多数。它们的密度应该非常高，大约比当地的暗物质密度高20个数量级，这意味着当光子无泄漏时，它们应该会产生可探测的信号。我们不确定这种特征会以什么形式出现，但研究小组提出了两种主要的可能性。一个是连续的信号，脉冲星无线电频谱中的一条窄线，其频率与轴子的质量相对应。我们不知道这个质量是什么，但谱线的缺失可以缩小范围。另一种是在中子星寿命结束时爆发的光，也就是它停止发射辐射的那一点。这个过程预计自然需要数万亿年；宇宙的年龄还不足以让它发生，所以我们不太可能很快观察到垂死中子星的轴子爆发。这使得连续信号成为最好的选择。与多余的光一样，研究人员无法在附近脉冲星周围找到中子星轴子云的证据。但未探测到的结果允许在一定范围内对轴子的质量进行最严格的限制，而不依赖于轴子是暗物质的假设。这项研究也为未来的研究铺平了道路，为我们提供了寻找和理解这种神秘、难以捉摸的粒子的特性的新方法。这项研究发表在《物理评论X》上。如果朋友们喜欢，敬请关注“”！