新的研究探索了暗物质由称为轴子的理论粒子组成的可能性，重点是通过脉冲星发出的额外光线探测它们。初步观测尚未证实轴子，但这项研究对于理解暗物质至关重要。
目前寻找暗物质的核心问题是：暗物质是由什么构成的？一个可能的答案是，暗物质由被称为轴子的粒子组成。阿姆斯特丹大学和普林斯顿大学的天体物理学家最近的研究提出，如果暗物质确实是由轴子构成的，那么它可能会以脉动恒星发出的微弱额外光辉的形式显现出来。
暗物质可能是我们宇宙中最炙手可热的成分。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还未能探测到，但却被认为占了宇宙物质的很大一部分。宇宙中不少于 85% 的物质被怀疑是"暗物质"，目前只能通过它对其他天文物体产生的引力来察觉。科学家们想要更多，这是可以理解的。他们想真正看到暗物质--或者至少直接探测到它的存在，而不只是从引力效应中推断。当然，他们还想知道暗物质是什么。
解决两个问题
有一点很清楚：暗物质不可能是你我由同一种物质构成的。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，不再是"暗"的。因此，科学家们正在寻找一种新的东西--一种尚未被人探测到的粒子，它很可能只与我们已知的粒子类型发生非常微弱的相互作用，这也解释了为什么我们世界的这一组成部分至今仍难以捉摸。
我们有很多线索可以寻找。一种流行的假设是，暗物质可能是由轴子构成的。这种假想的粒子类型最早出现在 20 世纪 70 年代，是为了解决一个与暗物质无关的问题。作为普通原子的组成部分之一，中子内部正负电荷的分离程度出乎意料地小。科学家们当然想知道原因。结果发现，有一种迄今为止尚未发现的粒子与中子的成分发生非常微弱的相互作用，恰恰会产生这种效应。后来的诺贝尔奖得主弗兰克-威尔切克（Frank Wilczek）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，而且还受到一种同名洗衣粉的启发。轴子的出现是为了解决一个问题。
事实上，尽管从未被探测到，但它可能会解决两个问题。包括弦理论（统一自然界所有力量的主要候选理论之一）在内的几种基本粒子理论似乎都预测可能存在类似轴子的粒子。如果轴子确实存在，它们是否也能构成部分甚至全部缺失的暗物质？也许是的，但困扰所有暗物质研究的另一个问题对轴子同样适用：如果是这样，我们如何才能看到它们？如何让"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，而且一些轴子还可能在强电磁场的作用下转化为光。一旦有了光，我们就能看见。这会是探测轴子--进而探测暗物质--的关键吗？
要回答这个问题，科学家们首先要问自己，宇宙中已知最强的电场和磁场出现在哪里？答案是：在旋转中子星（又称脉冲星）周围的区域。这些脉冲星--"脉冲星"的简称--是一种致密天体，质量与太阳大致相同，但半径却小了约 10 万倍，只有约 10 千米。脉冲星如此之小，却以极高的频率旋转，沿着旋转轴发出明亮的窄射电束。脉冲星的光束就像灯塔一样，可以扫过地球，使人们很容易观测到脉冲星。
然而，脉冲星巨大的自转还有更多作用。它把中子星变成了一个极强的电磁铁。这反过来可能意味着脉冲星是非常高效的轴子工厂。一颗普通的脉冲星每秒钟就能产生50位数的轴子。由于脉冲星周围存在强大的电磁场，这些轴子中的一部分可以转化为可观测到的光。也就是说：如果轴子存在的话--但现在可以用这一机制来回答这个问题。只要观察脉冲星，看看它们是否会发出额外的光，如果会，就确定这些额外的光是否可能来自轴子。
模拟微妙的光芒
在科学领域，要真正进行这样的观测当然没那么简单。轴子发出的光可以用无线电波的形式探测到--只是这些明亮的宇宙灯塔向我们发出的总光的一小部分。我们需要非常精确地知道一颗没有轴子的脉冲星和一颗有轴子的脉冲星是什么样子，才能看出其中的差别--更不用说量化这种差别并将其转化为暗物质数量的测量值了。
这正是一组物理学家和天文学家现在所做的。在荷兰、葡萄牙和美国的共同努力下，研究小组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、轴子是如何逃离中子星引力的，以及在逃离过程中轴子是如何转化为低能射电辐射的。
然后将这些理论结果放到计算机上，利用最先进的等离子体数值模拟来模拟脉冲星周围轴子的产生，这种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学原理而开发的。一旦虚拟产生，轴子在中子星电磁场中的传播就会被模拟出来。这使得研究人员能够定量地了解无线电波的后续产生，并模拟这一过程如何在脉冲星本身产生的固有发射之外提供额外的无线电信号。
检验轴心模型
理论和模拟的结果随后接受了第一次观测检验。利用对附近27颗脉冲星的观测，研究人员将观测到的无线电波与模型进行了比较，以确定测量到的任何过量是否能为轴子的存在提供证据。不幸的是，答案是"否"--或者乐观一点说："还没有"。轴子并没有立即出现在我们面前，但也许这并不在我们的预料之中。如果暗物质那么容易泄露秘密，那么它早就被观测到了。
因此，我们现在只能寄希望于在未来的观测中发现轴子。与此同时，目前没有观测到轴子发出的无线电信号本身就是一个有趣的结果。模拟脉冲星和实际脉冲星之间的首次比较，为轴子与光的相互作用设定了迄今为止最严格的限制。
当然，我们的最终目标不仅仅是设定限制，而是要证明轴子确实存在，或者确保轴子根本不可能是暗物质的组成部分。新成果只是朝着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端，这个领域有可能极大地推动轴子的研究。
参考文献"迪昂-诺德胡斯（Dion Noordhuis）、阿尼鲁德-普拉布（Anirudh Prabhu）、塞缪尔-维特（Samuel J. Witte）、亚历山大-陈（Alexander Y. Chen）、法比奥-克鲁兹（Fábio Cruz）和克里斯托夫-韦尼格（Christoph Weniger）合著的《脉冲星极冠级联中产生的轴子的新约束》，2023年9月15日，《物理评论快报》。
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.111004
编译来源：ScitechDaily