研究人員認為，銀河系中的一顆超新星可能會從軸子中發射出可探測到的伽馬射線，從而揭示暗物質的秘密。 這項發現將為人們深入了解這種難以捉摸的粒子的特性及其在宇宙中的作用提供重要線索。

韋伯的近紅外線相機（NIRCam）捕捉了這幅SN 1987A（超新星1987A）的詳細影像。

近一個世紀以來，科學家一直在努力揭開暗物質的神秘面紗。 暗物質在1960 年代被提出來解釋星系旋轉的原因，它既不發光，也不與光和其他形式的電磁輻射相互作用。 它被認為只透過引力相互作用，佔宇宙總質量的85% 之多。 暗物質是被廣泛接受的蘭姆達冷暗物質（LCDM）宇宙學模型的核心，在我們了解宇宙的過程中起著至關重要的作用。 然而，它的真實性質仍然難以捉摸。

這項探索中最有希望的線索之一是軸子–一種假想的低質量粒子，最早於1970年代提出，用於解決量子物理學中尚未解決的問題。 最近的研究進展表明，軸子可能會在特定條件下顯現出來，例如在中子星周圍的強磁場中。

由加州大學柏克萊分校的天文物理學家在美國能源部的支持下進行的突破性研究表明，軸子可能在附近的超新星爆炸後的瞬間被偵測到。 據研究人員稱，軸子在這種事件中產生的伽馬射線可以提供這些粒子的第一個直接證據，從而有可能解開科學界最大的謎團之一。

這項研究由伯克利理論物理中心（BCTP）的研究人員和勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）理論物理小組的成員共同完成。 描述他們研究成果的論文最近發表在Physical Review Letters雜誌。 他們認為，在大質量恆星發生內核坍縮並成為中子星後的最初10秒內，會產生大量軸子。 這些軸子隨後會逃逸，並在恆星的強磁場中轉化為高能量伽馬射線。

幾十年來，尋找暗物質的工作主要集中在大質量緊密光環天體（MACHO）上。 當它們未能實現時，物理學家開始考慮弱相互作用大質量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，WIMPs）作為最有可能的候選者，但也未能找到任何具體的東西。 這導致軸子成為最被廣泛接受的候選粒子，它是一種符合粒子物理標準模型的基本粒子，解決了量子力學中幾個懸而未決的問題–包括萬物理論（ToE）。

軸子最強的候選者是量子色動力學（QCD）軸子，理論上它與所有物質都有相互作用，儘管很微弱。 正如先前的研究所顯示的，軸子偶爾會在強磁場的作用下變成光子，並且可以被偵測到。 不過，這種探測非常具有挑戰性，因為它需要超新星就在附近（在銀河系或其衛星星系內）。 此外，可觀測到的超新星非常罕見，每幾十年才發生一次。

天文學家上一次觀測到這種現像是在1987年，當時一顆II型超新星（SN1987A）突然出現在距離地球約168，000光年的大麥哲倫雲（LMC）。 當時，NASA的太陽極大任務（SMM）正在觀測LMC，但靈敏度不夠，無法偵測到預測的伽瑪射線強度。 加州大學柏克萊分校物理學副教授、論文資深作者本傑明-薩夫迪（Benjamin Safdi）在最近的加州大學柏克萊分校新聞聲明中解釋：

“如果我們用現代伽馬射線望遠鏡看到一顆超新星，比如超新星1987A，我們就能在它的大部分參數空間裡探測到或排除這個QCD軸子，這個最有趣的軸子–基本上是實驗室裡無法偵測到的整個參數空間，以及實驗室裡可以偵測到的大部分參數空間。

費米伽馬射線太空望遠鏡利用最高能量形式的光觀測宇宙，為人們了解宇宙中最極端的現象提供了一個重要窗口，從伽馬射線暴和黑洞噴流到脈衝星、超新星殘骸和宇宙射線的起源。 圖片來源：© Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

薩夫迪和他的同事們透過一系列超級電腦模擬，利用SN1987A來約束品質更高的軸子，從而確定II型超新星會同時產生伽馬射線和中微子爆發。 他們進一步指出，產生的伽馬射線將取決於軸子的質量，並且只在中子星形成後持續10秒鐘。 之後，產生率將急劇下降。 這意味著伽馬射線太空望遠鏡必須在準確的時間指向超新星。

費米伽瑪射線太空望遠鏡是目前唯一能夠偵測到宇宙伽瑪射線源的天文台。 根據其視野，科學家估計費米望遠鏡發現超新星的幾率大約是十分之一。 為此，研究團隊建議我們製造下一代伽瑪射線望遠鏡，即銀河系超新星AXion儀器（GALAXIS）。 

薩夫迪說：”這確實讓我們開始考慮將中子星作為尋找軸子的最佳目標，將其作為軸子實驗室。中子星有很多優點。 它們是極熱的天體。 它們還擁有非常強的磁場。 。

正如他們所指出的，只要探測到一次伽馬射線，就能在理論質量的巨大範圍內精確定位軸心的質量，從而使實驗室實驗能夠重新集中精力確認這一質量。 即使沒有偵測到伽馬射線，也意味著科學家可以排除很大範圍內軸子的潛在質量，這將大大縮小暗物質的搜尋範圍。 與此同時，薩夫迪和他的同事們希望費米望遠鏡能碰上好運。

他補充說：”軸子的最佳情況是費米望遠鏡捕捉到一顆超新星。 只是這種可能性很小。但如果費米看到了它，我們就能測量出它的質量。我們就能測量它的相互作用強度我們將能夠確定我們需要知道的關於軸子的一切，並對訊號充滿信心，因為沒有任何普通物質能夠製造出這樣的事件。

改編自今日宇宙上最初發表的一篇文章。