軸子是與暗物質有關的假想粒子，可能會在中子星周圍形成可觀測的雲，從而提供了一種透過它們可能發出的光來探測暗物質的新方法。
物理學家提出，軸子是可以解釋暗物質的理論粒子，由於其強大的重力場，可能會在中子星周圍的密集雲中積累。
最近的研究表明，這些軸子雲最終可以透過它們與電磁場的相互作用來觀察到，並轉化為光。這項研究提供了一種很有前途的新方法，可以透過射電望遠鏡觀察暗物質的發射來探測暗物質，這標誌著理論物理學和天文學的重要進步。
來自阿姆斯特丹大學、普林斯頓大學和牛津大學的物理學家團隊發現，稱為軸子的極輕粒子可能會在中子星周圍形成大雲。這些軸子有可能解釋 暗物質，這是 宇宙學中最難以捉摸的謎團之一，甚至可能比以前認為的更容易觀察。
他們的研究結果最近發表在 【物理評論 X 】上，建立在早期研究的基礎上。在 他們之前的工作 中，該團隊研究了從中子星逸出的軸子。然而，這項新研究將重點轉移到仍然被恒星的強烈重力困住的軸子上。隨著時間的推移，這些粒子預計將在 中子星 周圍形成朦朧的雲，現在的望遠鏡似乎可以探測到這些雲。但是，為什麽天文學家和物理學家如此熱衷於研究這些遙遠、朦朧的雲呢？
圍繞中子星的軸子雲。雖然一些軸子逃脫了恒星的重力，但許多軸子仍然與恒星結合，並在很長一段時間內形成圍繞恒星的雲。與中子星強磁場的相互作用導致一些軸子轉化為光子——我們最終可以用地球上的望遠鏡檢測到光。圖片來源：阿姆斯特丹大學
揭示軸子的本質
質子、中子、電子、光子——我們大多數人至少熟悉其中一些微小粒子的名稱。軸子鮮為人知，這是有充分理由的：目前它只是一種 假設 的粒子類別型——還沒有人檢測到。它以肥皂品牌命名，它的存在最早是在 1970 年代，為了解決我們對我們可以很好地觀察到的粒子之一的理解中的問題——因此提到了肥皂。然而，雖然理論上非常好，但如果這些軸子存在，它們將非常輕，這使得它們在實驗或觀察中很難檢測到。
今天，軸子也被稱為解釋暗物質的熱門候選者，暗物質是當代物理學中最大的謎團之一。許多不同的證據表明，我們宇宙中大約 85% 的物質含量是「暗的」，這僅僅意味著它不是由我們已知和目前可以觀察到的任何類別的物質組成的。相反，暗物質的存在只是透過它對可見物質施加的重力影響間接推斷出來的。幸運的是，這並不意味著暗物質與可見物質根本沒有其他相互作用，但如果這種相互作用存在，它們的強度必然很小。顧名思義，因此任何可行的暗物質候選者都非常難以直接觀測。
將一和一放在一起，物理學家已經意識到軸子可能正是他們正在尋找的解決暗物質問題的東西。一個尚未被觀察到的粒子，它將非常輕，並且與其他粒子的相互作用非常微弱......軸子至少可以解釋暗物質的一部份嗎？
中子星和 軸子 探測
將軸子視為暗物質體子的想法很好，但在物理學中，一個想法只有在具有可觀察的後果時才是真正好的。畢竟，在軸子可能存在的 50 年後，是否有一種方法可以觀察它們？
當暴露在電場和磁場中時，軸子有望能夠轉化為光子（光粒子），反之亦然。光是我們知道如何觀察的東西，但如前所述，相應的相互作用強度應該非常小，因此軸子通常產生的光量也應該非常小。也就是說，除非考慮包含真正大量軸子的環境，理想情況下是在非常強的電磁場中。
這導致研究人員考慮了中子星，這是我們宇宙中已知密度最大的恒星。這些天體的質素與我們的太陽相似，但被壓縮成 12 到 15 公裏大小的恒星。如此極端的密度創造了一個同樣極端的環境，值得註意的是，它還包含巨大的磁場，比我們在地球上發現的任何磁場都要強數十億倍。最近的研究表明，如果存在軸子，這些磁場允許中子星在其表面附近大量產生這些粒子。
持久 Axion 雲
在他們之前的工作中，作者專註於產生後逃離恒星的軸子——他們計算了這些軸子的產生量，它們將遵循哪些軌跡，以及它們轉化為光如何導致微弱但可能觀察到的訊號。這一次，他們考慮了那些未能逃脫的軸子——盡管它們的質素很小，但被中子星的巨大重力捕獲。
由於軸子的相互作用非常微弱，這些粒子將留在周圍，並且在長達數百萬年的時間尺度上，它們將在中子星周圍積累。這可能導致在中子星周圍形成非常密集的軸子雲，這為軸子研究提供了一些令人難以置信的新機會。在他們的論文中，研究人員研究了這些軸子雲的形成、特性和進一步的演變，指出它們應該，而且在許多情況下必須存在。
事實上，作者認為，如果軸子存在，軸子雲應該是 通用 的（對於廣泛的軸子特性，它們應該在大多數甚至所有中子星周圍形成），它們通常應該 非常密集 （形成的密度可能比局部暗物質密度大 20 個數量級），因此它們應該導致 強大的觀測特征 。
後者可能有多種類別，作者討論了其中兩種：在中子星生命周期的大部份時間裏發出的連續訊號，以及中子星生命周期結束時停止產生電磁輻射時的一次性光爆發。即使使用現有的射電望遠鏡，也可以觀察到這兩個特征，並用於探測超出電流極限的軸子和光子之間的相互作用。
探索未來的軸子研究
雖然到目前為止，還沒有觀察到軸子雲，但根據新結果，我們非常準確地知道要尋找什麽，這使得徹底搜尋軸子變得更加可行。雖然待辦事項清單上的重點是「尋找軸子雲」，但這項工作也開辟了幾條新的理論探索途徑。
首先，其中一位作者已經參與了後續工作，研究軸子雲如何改變中子星本身的動力學。另一個重要的未來研究方向是軸子雲的數值建模：本文顯示了巨大的發現潛力，但需要更多的數值建模才能更準確地知道要尋找什麽以及在哪裏尋找。最後，目前的結果都是針對單個中子星的，但其中許多恒星都是雙星的組成部份——有時與另一顆中子星一起出現，有時與 黑洞 一起出現。了解此類系統中軸子雲的物理特性，並可能了解它們的觀測訊號，將非常有價值。
因此，目前的工作是朝著一個新的和令人興奮的研究方向邁出的重要一步。全面了解軸子雲需要多個科學分支的互補努力，包括粒子（天體）物理學、 等離子 體物理學和觀測射電天文學。這項工作為這個新的跨學科領域開辟了許多未來的研究機會。
