根據聖路易斯華盛頓大學的研究，中子星合併是新物理學訊號的寶庫，對確定暗物質的真實性質有影響。2017年8月17日，美國的雷射干涉重力波天文台（LIGO）和義大利的探測器處女座（Virgo）偵測到了兩顆中子星碰撞產生的重力波。這天文事件首次不僅被重力波聽到，而且還被地面和太空中的數十台望遠鏡看到。

兩顆正在合併的中子星的藝術家插圖。資料來源：NSF/LIGO/索諾瑪州立大學/A. Simonnet

類軸子粒子研究

文理學院的物理學家布帕爾-德夫（Bhupal Dev）利用這次中子星合併的觀測結果–天文學界將此事件命名為GW170817–得出了關於類軸子粒子的新約束條件。這些假想粒子尚未被直接觀測到，但它們出現在標準物理學模型的許多擴展中。

軸子和類軸子粒子是構成科學家至今無法解釋的宇宙中部分或全部”缺失”物質或暗物質的主要候選粒子。至少，這些相互作用微弱的粒子可以作為一種門戶，將人類所知的可見部分與宇宙中未知的黑暗部分連接起來。

《物理評論快報》（Physical Review Letters）上這項研究的第一作者、該大學麥克唐納空間科學中心（McDonnell Center for the Space Sciences）的研究員德夫說：”我們有充分的理由懷疑，超越標準模型的新物理學可能就潛伏在不遠處。”

中子星合併的啟示

當兩顆中子星合併時，會在短時間內形成一個高溫、高密度的殘餘物。德夫說，這個殘餘物是產生奇異粒子的理想溫床。殘餘物會在一秒鐘內變得比單顆恆星熱得多，然後根據初始質量的不同，沉澱為一顆更大的中子星或黑洞。

在這幅動畫中，注定要滅亡的中子星呼嘯著走向滅亡，它代表了在GW170817 發生九天後觀測到的現象。圖片來源：美國太空總署戈達德太空飛行中心/CI 實驗室

這些新粒子悄悄地逃離了碰撞的碎片，在遠離其源頭的地方，可以衰變成已知的粒子，通常是光子。德夫和他的團隊（包括華盛頓大學校友史蒂文-哈里斯（現為印第安納大學NP3M 研究員）以及讓-弗朗索瓦-福爾廷、庫弗-辛哈和張永超）發現，這些逃脫的粒子會產生獨特的電磁訊號，可以被美國太空總署的費米-LAT 等伽馬射線望遠鏡偵測到。

研究小組分析了這些電磁訊號的光譜和時間信息，確定他們可以將這些訊號與已知的天文物理背景區分開來。然後，他們利用費米-LAT關於GW170817的數據，推導出軸子-光子耦合作為軸子質量函數的新約束條件。這些天體物理約束與實驗室實驗（如軸子暗物質實驗（ADMX））的約束相輔相成，後者探測的是軸子參數空間的不同區域。

粒子物理學的未來前景

未來，科學家可以利用現有的伽馬射線太空望遠鏡（如費米-LAT）或擬議中的伽馬射線任務（如華盛頓大學領導的先進粒子-天文物理學望遠鏡（APT）），在中子星碰撞期間進行其他測量，幫助提高他們對類軸心粒子的理解。

德夫說：”中子星合併等極端天體物理環境為我們尋找軸子等暗部門粒子提供了新的機會之窗，軸子可能是了解宇宙中缺少的85%物質的關鍵。”

編譯自/ scitechdaily