新的研究探討了暗物質由稱為軸子的理論粒子組成的可能性，重點是透過脈衝星發出的額外光線來探測它們。初步觀測尚未證實軸子，但這項研究對於理解暗物質至關重要。

目前尋找暗物質的核心問題是：暗物質是由什麼構成的？一個可能的答案是，暗物質由被稱為軸子的粒子組成。阿姆斯特丹大學和普林斯頓大學的天文物理學家最近的研究提出，如果暗物質確實是由軸子構成的，那麼它可能會以脈動恆星發出的微弱額外光輝的形式顯現出來。

暗物質可能是我們宇宙中最炙手可熱的成分。令人驚訝的是，這種神秘的物質形式，物理學家和天文學家迄今為止還未能探測到，但被認為佔了宇宙物質的很大一部分。宇宙中不少於85% 的物質被懷疑是”暗物質”，目前只能透過它對其他天文物體產生的引力來察覺。科學家想要更多，這是可以理解的。他們想真正看到暗物質–或至少直接偵測到它的存在，而不只是從重力效應推斷。當然，他們還想知道暗物質是什麼。

解決兩個問題

有一點很清楚：暗物質不可能是你我由同一種物質所構成的。如果是這樣的話，暗物質的行為就會像普通物質一樣–它會形成像恆星一樣的物體，發光，不再是”暗”的。因此，科學家正在尋找一種新的東西——一種尚未被人類探測到的粒子，它很可能只與我們已知的粒子類型發生非常微弱的相互作用，這也解釋了為什麼我們世界的這一組成部分至今仍難以捉摸。

我們有很多線索可以找。一種流行的假設是，暗物質可能是由軸子構成的。這種假想的粒子類型最早出現在20 世紀70 年代，是為了解決一個與暗物質無關的問題。作為普通原子的組成部分之一，中子內部正負電荷的分離程度出乎意料地小。科學家當然想知道原因。結果發現，有一種迄今尚未發現的粒子與中子的成分發生非常微弱的相互作用，恰恰會產生這種效應。後來的諾貝爾獎得主弗蘭克-威爾切克（Frank Wilczek）為這種新粒子起了一個名字：軸子–不僅與質子、中子、電子和光子等其他粒子名稱相似，而且還受到一種同名洗衣粉的啟發。軸子的出現是為了解決一個問題。

事實上，儘管從未被探測到，但它可能會解決兩個問題。包括弦理論（統一自然界所有力量的主要候選理論之一）在內的幾種基本粒子理論似乎都預測可能存在類似軸子的粒子。如果軸子確實存在，它們是否也能構成部分甚至全部缺失的暗物質？也許是的，但困擾所有暗物質研究的另一個問題對軸子同樣適用：如果是這樣，我們如何才能看到它們？如何讓”黑暗”的東西變得可見？

照亮暗物質

幸運的是，對於軸子來說，似乎有辦法解決這個難題。如果預測軸子的理論是正確的，那麼它們不僅有望在宇宙中大量產生，而且一些軸子還可能在強電磁場的作用下轉化為光。一旦有了光，我們就能看見。這會是探測軸子–進而探測暗物質–的關鍵嗎？

要回答這個問題，科學家首先要問自己，宇宙中已知最強的電場和磁場出現在哪裡？答案是：在旋轉中子星（又稱脈衝星）周圍的區域。這些脈衝星–“脈衝星”的簡稱–是一種緻密天體，質量與太陽大致相同，但半徑卻小了約10 萬倍，只有約10 千米。脈衝星如此之小，卻以極高的頻率旋轉，沿著旋轉軸發出明亮的窄射電束。脈衝星的光束就像燈塔一樣，可以掃過地球，使人們很容易觀測到脈衝星。

然而，脈衝星巨大的自轉還有更多作用。它把中子星變成了一個極強的電磁鐵。這反過來可能意味著脈衝星是非常有效率的軸子工廠。一顆普通的脈衝星每秒鐘就能產生50位數的軸子。由於脈衝星周圍存在強大的電磁場，這些軸子中的一部分可以轉換為可觀測到的光。也就是說：如果軸子存在的話–但現在可以用這個機制來回答這個問題。只要觀察脈衝星，看看它們是否會發出額外的光，如果會，就確定這些額外的光是否可能來自軸子。

模擬微妙的光芒

在科學領域，要真正進行這樣的觀測當然沒那麼簡單。軸子發出的光可以用無線電波的形式探測到–只是這些明亮的宇宙燈塔向我們發出的總光的一小部分。我們需要非常精確地知道一顆沒有軸子的脈衝星和一顆有軸子的脈衝星是什麼樣子，才能看出其中的差別–更不用說量化這種差別並將其轉化為暗物質數量的測量值了。

這正是一群物理學家和天文學家現在所做的。在荷蘭、葡萄牙和美國的共同努力下，研究小組建構了一個全面的理論框架，可以詳細了解軸子是如何產生的、軸子是如何逃離中子星引力的，以及在逃離過程中軸子是如何轉化為低能量射電輻射的。

然後將這些理論結果放到電腦上，利用最先進的等離子體數值模擬來模擬脈衝星周圍軸子的產生，這種模擬最初是為了了解脈衝星如何發射無線電波背後的物理原理而開發的。一旦虛擬產生，軸子在中子星電磁場的傳播就會被模擬出來。這使得研究人員能夠定量地了解無線電波的後續產生，並模擬這一過程如何在脈衝星本身產生的固有發射之外提供額外的無線電訊號。

檢驗軸心模型

理論和模擬的結果隨後接受了第一次觀測檢定。利用對附近27顆脈衝星的觀測，研究人員將觀測到的無線電波與模型進行了比較，以確定測量到的任何過量是否能為軸子的存在提供證據。不幸的是，答案是”否”–或樂觀一點說：”還沒有”。軸子並沒有立即出現在我們面前，但也許這並不在我們的預料之中。如果暗物質那麼容易洩漏秘密，那麼它早就被觀測到了。

因此，我們現在只能寄望在未來的觀測中發現軸子。同時，目前沒有觀測到軸子發出的無線電訊號本身就是一個有趣的結果。模擬脈衝星和實際脈衝星之間的首次比較，為軸子與光的相互作用設定了迄今為止最嚴格的限制。

當然，我們的最終目標不僅僅是設定限制，而是要證明軸子確實存在，或確保軸子根本不可能是暗物質的組成部分。新成果只是朝著這個方向邁出的第一步；它們只是一個全新的、高度跨學科領域的開端，這個領域有可能極大地推動軸子的研究。

參考文獻”迪昂-諾德胡斯（Dion Noordhuis）、阿尼魯德-普拉布（Anirudh Prabhu）、塞繆爾-維特（Samuel J. Witte）、亞歷山大-陳（Alexander Y. Chen）、法比奧-克魯茲（Fábio Cruz）和克里斯托夫-韋尼格（Christoph Weniger）合著的《脈衝星極冠級聯中產生的軸子的新約束》，2023年9月15日，《物理評論快報》。

DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.111004

編譯來源：ScitechDaily