轴子是与暗物质有关的假想粒子，可能会在中子星周围形成可观测的云，从而提供了一种通过它们可能发出的光来探测暗物质的新方法。
物理学家提出，轴子是可以解释暗物质的理论粒子，由于其强大的引力场，可能会在中子星周围的密集云中积累。
最近的研究表明，这些轴子云最终可以通过它们与电磁场的相互作用来观察到，并转化为光。这项研究提供了一种很有前途的新方法，可以通过射电望远镜观察暗物质的发射来探测暗物质，这标志着理论物理学和天文学的重要进步。
来自阿姆斯特丹大学、普林斯顿大学和牛津大学的物理学家团队发现，称为轴子的极轻粒子可能会在中子星周围形成大云。这些轴子有可能解释 暗物质，这是 宇宙学中最难以捉摸的谜团之一，甚至可能比以前认为的更容易观察。
他们的研究结果最近发表在 【物理评论 X 】上，建立在早期研究的基础上。在 他们之前的工作 中，该团队研究了从中子星逸出的轴子。然而，这项新研究将重点转移到仍然被恒星的强烈引力困住的轴子上。随着时间的推移，这些粒子预计将在 中子星 周围形成朦胧的云，现在的望远镜似乎可以探测到这些云。但是，为什么天文学家和物理学家如此热衷于研究这些遥远、朦胧的云呢？
围绕中子星的轴子云。虽然一些轴子逃脱了恒星的引力，但许多轴子仍然与恒星结合，并在很长一段时间内形成围绕恒星的云。与中子星强磁场的相互作用导致一些轴子转化为光子——我们最终可以用地球上的望远镜检测到光。图片来源：阿姆斯特丹大学
揭示轴子的本质
质子、中子、电子、光子——我们大多数人至少熟悉其中一些微小粒子的名称。轴子鲜为人知，这是有充分理由的：目前它只是一种 假设 的粒子类型——还没有人检测到。它以肥皂品牌命名，它的存在最早是在 1970 年代，为了解决我们对我们可以很好地观察到的粒子之一的理解中的问题——因此提到了肥皂。然而，虽然理论上非常好，但如果这些轴子存在，它们将非常轻，这使得它们在实验或观察中很难检测到。
今天，轴子也被称为解释暗物质的热门候选者，暗物质是当代物理学中最大的谜团之一。许多不同的证据表明，我们宇宙中大约 85% 的物质含量是「暗的」，这仅仅意味着它不是由我们已知和目前可以观察到的任何类型的物质组成的。相反，暗物质的存在只是通过它对可见物质施加的引力影响间接推断出来的。幸运的是，这并不意味着暗物质与可见物质根本没有其他相互作用，但如果这种相互作用存在，它们的强度必然很小。顾名思义，因此任何可行的暗物质候选者都非常难以直接观测。
将一和一放在一起，物理学家已经意识到轴子可能正是他们正在寻找的解决暗物质问题的东西。一个尚未被观察到的粒子，它将非常轻，并且与其他粒子的相互作用非常微弱......轴子至少可以解释暗物质的一部分吗？
中子星和 轴子 探测
将轴子视为暗物质粒子的想法很好，但在物理学中，一个想法只有在具有可观察的后果时才是真正好的。毕竟，在轴子可能存在的 50 年后，是否有一种方法可以观察它们？
当暴露在电场和磁场中时，轴子有望能够转化为光子（光粒子），反之亦然。光是我们知道如何观察的东西，但如前所述，相应的相互作用强度应该非常小，因此轴子通常产生的光量也应该非常小。也就是说，除非考虑包含真正大量轴子的环境，理想情况下是在非常强的电磁场中。
这导致研究人员考虑了中子星，这是我们宇宙中已知密度最大的恒星。这些天体的质量与我们的太阳相似，但被压缩成 12 到 15 公里大小的恒星。如此极端的密度创造了一个同样极端的环境，值得注意的是，它还包含巨大的磁场，比我们在地球上发现的任何磁场都要强数十亿倍。最近的研究表明，如果存在轴子，这些磁场允许中子星在其表面附近大量产生这些粒子。
持久 Axion 云
在他们之前的工作中，作者专注于产生后逃离恒星的轴子——他们计算了这些轴子的产生量，它们将遵循哪些轨迹，以及它们转化为光如何导致微弱但可能观察到的信号。这一次，他们考虑了那些未能逃脱的轴子——尽管它们的质量很小，但被中子星的巨大引力捕获。
由于轴子的相互作用非常微弱，这些粒子将留在周围，并且在长达数百万年的时间尺度上，它们将在中子星周围积累。这可能导致在中子星周围形成非常密集的轴子云，这为轴子研究提供了一些令人难以置信的新机会。在他们的论文中，研究人员研究了这些轴子云的形成、特性和进一步的演变，指出它们应该，而且在许多情况下必须存在。
事实上，作者认为，如果轴子存在，轴子云应该是 通用 的（对于广泛的轴子特性，它们应该在大多数甚至所有中子星周围形成），它们通常应该 非常密集 （形成的密度可能比局部暗物质密度大 20 个数量级），因此它们应该导致 强大的观测特征 。
后者可能有多种类型，作者讨论了其中两种：在中子星生命周期的大部分时间里发出的连续信号，以及中子星生命周期结束时停止产生电磁辐射时的一次性光爆发。即使使用现有的射电望远镜，也可以观察到这两个特征，并用于探测超出电流极限的轴子和光子之间的相互作用。
探索未来的轴子研究
虽然到目前为止，还没有观察到轴子云，但根据新结果，我们非常准确地知道要寻找什么，这使得彻底搜索轴子变得更加可行。虽然待办事项清单上的重点是「寻找轴子云」，但这项工作也开辟了几条新的理论探索途径。
首先，其中一位作者已经参与了后续工作，研究轴子云如何改变中子星本身的动力学。另一个重要的未来研究方向是轴子云的数值建模：本文显示了巨大的发现潜力，但需要更多的数值建模才能更准确地知道要寻找什么以及在哪里寻找。最后，目前的结果都是针对单个中子星的，但其中许多恒星都是双星的组成部分——有时与另一颗中子星一起出现，有时与 黑洞 一起出现。了解此类系统中轴子云的物理特性，并可能了解它们的观测信号，将非常有价值。
因此，目前的工作是朝着一个新的和令人兴奋的研究方向迈出的重要一步。全面了解轴子云需要多个科学分支的互补努力，包括粒子（天体）物理学、 等离子 体物理学和观测射电天文学。这项工作为这个新的跨学科领域开辟了许多未来的研究机会。
