蟹狀星云——一顆超新星爆炸的脈沖殘余，其中心包含一顆脈沖星。讓暗脈沖星使星云中氣體形式的物質(zhì)普通物質(zhì)發(fā)光。正如研究人員現(xiàn)在展示的發(fā)光那樣，它可能對(duì)軸子形式的脈沖暗物質(zhì)做同樣的事情，導(dǎo)致可以測(cè)量的讓暗微妙的額外發(fā)光。鳴謝:uux.cn/美國航天局/CXC/亞利桑那州立大學(xué)/J. Hester等人
（神秘的物質(zhì)地球uux.cn）據(jù)阿姆斯特丹大學(xué)：尋找暗物質(zhì)過程中的核心問題是:它是由什么組成的？一個(gè)可能的答案是暗物質(zhì)由被稱為軸子的粒子組成。由阿姆斯特丹大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的發(fā)光研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)天體物理學(xué)家小組現(xiàn)在已經(jīng)表明，如果暗物質(zhì)由軸子組成，脈沖它可能會(huì)以脈動(dòng)恒星發(fā)出的讓暗微妙的額外輝光的形式顯示出來。他們的物質(zhì)工作發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。
暗物質(zhì)可能是發(fā)光我們宇宙中最受歡迎的成分。令人驚訝的脈沖是，這種神秘的讓暗物質(zhì)形式，物理學(xué)家和天文學(xué)家至今還未能探測(cè)到，物質(zhì)卻被認(rèn)為構(gòu)成了宇宙中的巨大部分。
宇宙中不少于85%的物質(zhì)被懷疑是“黑暗的”，目前只有通過它對(duì)其他天體施加的引力才能被注意到?？梢岳斫?，科學(xué)家想要更多。他們想真正看到暗物質(zhì)——或者至少直接探測(cè)到它的存在，而不僅僅是從引力效應(yīng)中推斷出來。當(dāng)然，他們想知道這是什么。
清理兩個(gè)問題
有一點(diǎn)是清楚的:暗物質(zhì)不可能是構(gòu)成你我的同一種物質(zhì)。如果是這樣的話，暗物質(zhì)的行為就會(huì)像普通物質(zhì)一樣——它會(huì)形成像恒星一樣的物體，變亮，不再是“黑暗的”因此，科學(xué)家們正在尋找新的東西——一種還沒有人探測(cè)到的粒子，它可能只會(huì)與我們已知的粒子類型發(fā)生非常微弱的相互作用，解釋為什么我們世界的這一組成部分迄今為止仍然難以捉摸。
有很多線索可以告訴我們?nèi)ツ睦镎?。一個(gè)流行的假設(shè)是暗物質(zhì)可能由軸子組成。這種假設(shè)類型的粒子在20世紀(jì)70年代首次被引入，以解決一個(gè)與暗物質(zhì)無關(guān)的問題。中子是普通原子的組成部分之一，它內(nèi)部正負(fù)電荷的分離出乎意料地小?？茖W(xué)家們當(dāng)然想知道為什么。
事實(shí)證明，一種迄今未被發(fā)現(xiàn)的粒子的存在，與中子成分的相互作用非常微弱，可能會(huì)導(dǎo)致這種效應(yīng)。后來的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者弗蘭克·維爾澤克為這種新粒子起了一個(gè)名字:軸子——不僅與質(zhì)子、中子、電子和光子等其他粒子的名字相似，還受到了一種同名洗衣液的啟發(fā)。軸子是用來解決問題的。
事實(shí)上，盡管從未被發(fā)現(xiàn)，它可能會(huì)清除兩個(gè)。基本粒子的幾個(gè)理論，包括弦理論，統(tǒng)一自然界所有力的主要候選理論之一，似乎預(yù)言了軸子樣粒子的存在。如果軸子真的存在，它們會(huì)不會(huì)也是失蹤暗物質(zhì)的一部分，甚至全部？也許吧，但是困擾所有暗物質(zhì)研究的另一個(gè)問題也同樣適用于軸子:如果是這樣，那么我們?nèi)绾尾拍芸吹剿鼈?？如何讓“黑暗”的東西變得可見？
照亮暗物質(zhì)
幸運(yùn)的是，對(duì)于軸子來說，似乎有辦法解決這個(gè)難題。如果預(yù)測(cè)軸子的理論是正確的，它們不僅有望在宇宙中大量產(chǎn)生，而且一些軸子也可以在強(qiáng)電磁場(chǎng)的存在下轉(zhuǎn)化為光。一旦有光，我們就能看見。這可能是探測(cè)軸子的關(guān)鍵——因此也是探測(cè)暗物質(zhì)的關(guān)鍵嗎？
為了回答這個(gè)問題，科學(xué)家們首先要問自己，已知最強(qiáng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)出現(xiàn)在宇宙的哪個(gè)地方。答案是:在旋轉(zhuǎn)中子星(也稱為脈沖星)周圍的區(qū)域。這些脈沖星是“脈動(dòng)星”的縮寫，是致密的物體，質(zhì)量與我們的太陽大致相同，但半徑約為10萬分之一，只有約10公里。由于體積如此之小，脈沖星以極高的頻率旋轉(zhuǎn)，沿著其旋轉(zhuǎn)軸發(fā)出明亮的窄束無線電輻射。類似于燈塔，脈沖星的光束可以掃過地球，使得這顆脈動(dòng)的恒星很容易被觀測(cè)到。
然而，脈沖星巨大的自轉(zhuǎn)不止于此。它把中子星變成了一個(gè)極強(qiáng)的電磁鐵。反過來，這可能意味著脈沖星是非常有效的軸子工廠。平均每一秒鐘，一顆脈沖星能夠產(chǎn)生50位數(shù)的軸子。由于脈沖星周圍的強(qiáng)電磁場(chǎng)，這些軸子中的一部分可以轉(zhuǎn)化為可觀測(cè)的光。那就是:如果軸子真的存在的話——但是這個(gè)機(jī)制現(xiàn)在可以用來回答這個(gè)問題。只要觀察脈沖星，看看它們是否會(huì)發(fā)出額外的光，如果會(huì)，確定這些額外的光是否來自軸子。
模擬微妙的輝光
在科學(xué)中，實(shí)際進(jìn)行這樣的觀察當(dāng)然不是那么簡(jiǎn)單。軸子發(fā)出的光——可以以無線電波的形式探測(cè)到——只是這些明亮的宇宙燈塔向我們發(fā)出的總光的一小部分。人們需要非常精確地知道沒有軸子的脈沖星會(huì)是什么樣子，以及有軸子的脈沖星會(huì)是什么樣子，才能看到差異——更不用說量化差異并將其轉(zhuǎn)化為暗物質(zhì)數(shù)量的測(cè)量了。
這正是一組物理學(xué)家和天文學(xué)家現(xiàn)在所做的。在荷蘭、葡萄牙和美國的合作下，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)全面的理論框架，可以詳細(xì)了解軸子是如何產(chǎn)生的，軸子是如何逃離中子星的引力，以及它們?cè)谔与x過程中如何轉(zhuǎn)化為低能無線電輻射。
然后，理論結(jié)果被輸入計(jì)算機(jī)，以模擬脈沖星周圍軸子的產(chǎn)生，使用最先進(jìn)的數(shù)值等離子體模擬，最初開發(fā)這些模擬是為了理解脈沖星如何發(fā)射無線電波背后的物理學(xué)。一旦虛擬產(chǎn)生，軸子通過中子星電磁場(chǎng)的傳播被模擬。這使得研究人員能夠定量地了解無線電波的后續(xù)產(chǎn)生，并模擬這一過程如何在脈沖星本身產(chǎn)生的內(nèi)在發(fā)射之上提供額外的無線電信號(hào)。
檢驗(yàn)軸子模型
來自理論和模擬的結(jié)果然后被放入第一次觀察測(cè)試。利用來自27顆附近脈沖星的觀測(cè)結(jié)果，研究人員將觀測(cè)到的無線電波與模型進(jìn)行了比較，看是否有任何測(cè)量到的過剩可以為軸子的存在提供證據(jù)。不幸的是，答案是“沒有”——或者更樂觀一點(diǎn):“還沒有?！陛S子不會(huì)立即跳出來給我們看，但也許這是不可預(yù)料的。如果暗物質(zhì)這么容易就暴露了它的秘密，那么它在很久以前就已經(jīng)被觀測(cè)到了。
因此，發(fā)現(xiàn)軸子的確鑿證據(jù)的希望現(xiàn)在取決于未來的觀測(cè)。同時(shí)，目前沒有觀測(cè)到軸子的無線電信號(hào)，這本身就是一個(gè)有趣的結(jié)果。模擬和真實(shí)脈沖星之間的第一次比較，對(duì)軸子與光的相互作用提出了迄今為止最強(qiáng)的限制。
當(dāng)然，最終目標(biāo)不僅僅是設(shè)定限制——要么是證明軸子確實(shí)存在，要么是確保軸子根本不可能是暗物質(zhì)的組成部分。新的結(jié)果只是朝著這個(gè)方向邁出的第一步；它們只是一個(gè)全新的高度跨學(xué)科領(lǐng)域的開始，這個(gè)領(lǐng)域有可能極大地推進(jìn)對(duì)軸子的研究。