中子星碰撞事件GW170817帮助揭开暗物质之谜
根据圣路易斯华盛顿大学的研究，中子星合并是新物理学信号的宝库，对确定暗物质的真实性质具有影响。2017年8月17日，美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）和意大利的探测器处女座（Virgo）探测到了两颗中子星碰撞产生的引力波。这一天文事件首次不仅被引力波听到，而且还被地面和太空中的数十台望远镜看到。
两颗正在合并的中子星的艺术家插图。资料来源：NSF/LIGO/索诺玛州立大学/A. Simonnet
类轴子粒子研究
文理学院的物理学家布帕尔-德夫（Bhupal Dev）利用这次中子星合并的观测结果--天文学界将这一事件命名为GW170817--得出了关于类轴子粒子的新约束条件。这些假想粒子尚未被直接观测到，但它们出现在标准物理学模型的许多扩展中。
轴子和类轴子粒子是构成科学家至今无法解释的宇宙中部分或全部"缺失"物质或暗物质的主要候选粒子。至少，这些相互作用微弱的粒子可以作为一种门户，将人类所知的可见部分与宇宙中未知的黑暗部分连接起来。
《物理评论快报》（Physical Review Letters）上这项研究的第一作者、该大学麦克唐纳空间科学中心（McDonnell Center for the Space Sciences）的研究员德夫说："我们有充分的理由怀疑，超越标准模型的新物理学可能就潜伏在不远处。"
中子星合并的启示
当两颗中子星合并时，会在短时间内形成一个高温、高密度的残余物。德夫说，这个残余物是产生奇异粒子的理想温床。残余物会在一秒钟内变得比单个恒星热得多，然后根据初始质量的不同，沉淀为一颗更大的中子星或黑洞。
在这幅动画中，注定要灭亡的中子星呼啸着走向灭亡，它代表了在 GW170817 发生九天后观测到的现象。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心/CI 实验室
这些新粒子悄无声息地逃离了碰撞的碎片，在远离其源头的地方，可以衰变成已知的粒子，通常是光子。德夫和他的团队（包括华盛顿大学校友史蒂文-哈里斯（现为印第安纳大学 NP3M 研究员）以及让-弗朗索瓦-福尔廷、库弗-辛哈和张永超）发现，这些逃逸的粒子会产生独特的电磁信号，可以被美国宇航局的费米-LAT 等伽马射线望远镜探测到。
研究小组分析了这些电磁信号的光谱和时间信息，确定他们可以将这些信号与已知的天体物理背景区分开来。然后，他们利用费米-LAT关于GW170817的数据，推导出轴子-光子耦合作为轴子质量函数的新约束条件。这些天体物理约束与实验室实验（如轴子暗物质实验（ADMX））的约束相辅相成，后者探测的是轴子参数空间的不同区域。
粒子物理学的未来前景
未来，科学家们可以利用现有的伽马射线太空望远镜（如费米-LAT）或拟议中的伽马射线任务（如华盛顿大学领导的先进粒子-天体物理学望远镜（APT）），在中子星碰撞期间进行其他测量，帮助提高他们对类轴心粒子的理解。
德夫说："中子星合并等极端天体物理环境为我们寻找轴子等暗部门粒子提供了新的机会之窗，轴子可能是了解宇宙中缺少的85%物质的关键。"
编译自/scitechdaily
