科学家找到一个10秒钟解决暗物质猜想的方法！（文字版）

Linvo说宇宙

2024-12-31 16:56发布于天津科普领域创作者

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划重点

01科学家发现一种10秒内可能解决暗物质猜想的方法，通过探测中子星内部的轴子。

02轴子是一种标准模型之外的假象粒子，质量极小，稳定性极高，被认为是暗物质的理想候选粒子。

03研究人员分析了中子星附近的轴子分布情况，发现轴子云会在中子星的两极区域产生。

04他们预测，只要轴子的质量高于50微电子伏，通过现有的探测伽马射线暴的方式就能探测到它们。

05然而，目前寻找轴子的挑战仍然很大，需要尽快捕捉到足够强的伽马暴，或者建造一台能够全天候监测所有天区的伽马射线望远镜。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

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科学家找到了一个10秒内可能解决暗物质猜想的方法！你没听错，只要10秒！这么夸张该不会又是什么“新闻学魅力时刻”吧？不过在了解完事情的来龙去脉后，我发现这么说似乎也没毛病。咋回事呢，这要从头说起。
暗物质相信大家都很熟悉，已经是我们这个频道的“老朋友”了。当初，为了解释天文观测中的一些异常现象，人们不得不对现有的物理学大厦进行改造。除了对经典的引力理论进行修改外（MOND理论），我们还可以通过引入一种假想的物质来予以解释。这种假想物质因为不参与电磁相互作用，因此看不见摸不着，只能通过引力作用表现出来，所以被称为暗物质。假如暗物质真的存在，它的占比要比我们熟悉的普通物质多得多，对于整个宇宙的演化至关重要。于是，人们都想方设法地去寻找这些神秘的暗物质。

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在暗物质的众多候选者中，除了之前经常提到的原初黑洞外，从粒子物理学角度，暗物质的候选粒子主要分两个方向：一个是质量很大的粒子，比如大质量弱相互作用粒子（Weakly interacting massive particles, WIMPs），一个是质量很小的粒子，比如这次科学家们的目标粒子——轴子（Axion）。

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轴子，一种标准模型之外的假象粒子，由威尔切克和温伯格在上世纪70年代最早提出。当时，为了解决量子色动力学（QCD）的强CP问题（也就是在量子色动力学中，理论和实验在CP守恒上存在矛盾），于是他们希望通过引入一种新的对称性（佩切-奎因对称，PQ对称）来解决该问题。然而这种对称性会自发破缺，带来的后果就是会诞生一种新的粒子。这种粒子质量极小（甚至只有电子质量的百亿分之一），同时它又非常稳定，寿命极长，于是这种QCD轴子便成了理想的暗物质候选粒子。
轴子虽然很小，但它并非完全不可察觉。当大量轴子暴露在强磁场环境中时，它们中的一小部分会有概率转换成光子。一旦有了光，一切就好说了。
那么就要问了：宇宙中什么地方磁场最强呢？没错，中子星，尤其是磁星。
磁星，一种具有超强磁场的中子星，磁场强度是普通中子星的上千倍，更是地球磁场的万亿倍。对于一颗这样的磁星来说，它本身不但能产生大量的轴子，更重要的是它的磁层能让其中一部分轴子转化成可被我们探测到的电磁波。
2023年9月，一篇发表于《物理评论快报》上的文章中，研究人员针对该想法构建了一个全面的理论框架，并对该理论进行了计算机模拟。随后，基于理论和模拟结果，研究人员进行了实际观测测试。他们仔细观察了地球附近的27颗脉冲星，并将观测到的无线电信号与理论模型进行了比较。不幸的是，他们并没有得到期望的结果。

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不过研究团队并未因此气馁，之后他们更加详细地分析了中子星附近的轴子分布情况，并将结果发表在了2024年10月的《物理评论X》上。

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研究人员表示，中子星的轴子会在它的两极区域产生，其中速度快的那些轴子可以逃离中子星，而速度慢的则会在中子星的引力束缚下，在中子星的表面形成密集的“轴子云”。中子星的轴子云会经历四个阶段：前期的增长阶段、中期的饱和和旋降阶段以及后期的瞬态衰减阶段。

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其中在中期阶段，轴子云会向外释放出低能光子，也就是产生射电辐射（无线电），这是一种可以被探测到的连续信号。此外，到了后期，当中子星走到了生命的尽头，此时随着磁层变为电荷分离的状态，轴子云的能量将会迅速耗散，同时会伴随产生瞬态的射电爆发，这种射电暴同样也是一种可供探测的途径。
不过由于这种方式产生的信号都是无线电，能量极其微弱，混杂在宇宙噪声中就更难分辨了，所以现阶段对轴子云的探测仍然存在很大挑战。
然而在文章发表后不久（2024年11月），一篇发表于《物理评论快报》上的文章中，另外一组研究团队提出了另一个寻找中子星轴子的可能性。关键的地方在于，他们要探测的这些轴子，其转化成光子后并不是低能的无线电波，而是高能的伽马射线。并且他们认为，如今的观测设备已经具有探测相应信号的能力。

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这次的研究人员打算寻找的是诞生于中子星内部的轴子。相较于包裹在中子星表面的轴子云，这些内部产生的轴子是在核心坍缩型超新星爆发时随着中子星的形成而产生的。之前说过，核心坍缩型超新星一般会伴随有伽马射线暴的出现。他们预测，只要这些轴子的质量高于50微电子伏（大概就是大于电子质量的百亿分之一），那么我们就可以通过现有的探测伽马射线暴的方式来探测它们。
值得注意的是，研究人员认为，当中子星随着超新星爆发形成后，大量的轴子会集中出现在一开始的10秒钟内。很快这些轴子便会向外逃逸，并在恒星的强磁场中转化为特殊的伽马光子。也就是说，只要现在附近有超新星爆发，并且我们也捕捉到了它的伽马射线暴，那么只需10秒，我们就有可能发现这些轴子产生的信号。如果发现了，自然皆大欢喜，它意味着暗物质的谜团有望至此被彻底解决；但如果没发现呢，那也不是一无所获，它至少可以大幅排除轴子的潜在质量范围，而这相当于直接宣布现如今的大部分暗物质探测项目将毫无意义。
不过该研究仍然存在两个问题。首先，要想探测到足够强的伽马暴，那么超新星的位置必须离我们很近，至少要在银河系内或者是它的卫星星系中。然而我们附近的环境，平均几十年才会出现一次核心坍缩型超新星。上一次这样的超新星，还要追溯到1987年在大麦哲伦星系中发现的SN 1987A。当时，一台现已停用的伽马射线望远镜（SMM）正在执行太阳监测任务，而它的伽马射线光谱仪刚好朝向了该超新星的方向，于是它便机缘巧合地捕捉到了这次伽马暴信号。只是由于设备的灵敏度原因，当年采集到的数据并不足以确认轴子的相关信号。
而这就引出了第二个问题。目前，最适合探测伽马暴的设备只有费米伽马射线望远镜。一台望远镜的视野很有限，无法同时兼顾多个方向，所以能不能捕捉到伽马暴，完全凭运气。运气好了，也许明天就能让暗物质猜想画上句号，毕竟距离上一次暴发已经过去了将近30年；而运气不好的话，暴发的时候望远镜正好错过了方向，那我们就不得不再等上几十年。
所以呢，科学家希望应尽快想办法及时捕捉任何方向上的伽马暴。据说该研究目前已获得美国能源部的资金支持，团队正在与建造伽马射线望远镜的科学家接触，一起讨论是否可以打造一台能够全天候监测所有天区的伽马射线望远镜。倘若未来这台望远镜建造成功，又或者目前的费米望远镜真的恰巧捕捉到了一起不远处的伽马暴，也许暗物质的真相从此便能拨云见日。

[1] Dion Noordhuis, Anirudh Prabhu. et al. Novel Constraints on Axions Produced in Pulsar Polar-Cap Cascades. Physical Review Letters. 131(11):111004-111011. (2023)

[2] Dion Noordhuis, Anirudh Prabhu. et al. Axion Clouds around Neutron Stars. Physical Review X. 14(4):41015-41039. (2024)

[3] Claudio Andrea Manzari, Yujin Park. et al. Supernova Axions Convert to Gamma Rays in Magnetic Fields of Progenitor Stars. Physical Review Letters. 133(21):211002-211012. (2024) 

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