簡(jiǎn)介：科學(xué)家對(duì)暗物質(zhì)生成原因的一種假設(shè)，中子星爆炸

目前，最讓人惱火的天體物理學(xué)問題之一可以被簡(jiǎn)單的陳述如下：暗物質(zhì)是什么？

像這樣簡(jiǎn)單的問題可能會(huì)有非常復(fù)雜的答案。在這種情況下，一個(gè)理論物理學(xué)家的團(tuán)隊(duì)提出超高溫中子星核可以產(chǎn)生和爆炸出軸子，隨后軸子產(chǎn)生高能光子，當(dāng)光子與中子星周圍猛烈強(qiáng)大的磁場(chǎng)交互時(shí)，反過來又可以被看做一束多余的X-射線光。

明白了吧？非常復(fù)雜。

暗物質(zhì)與我們所認(rèn)為的普通物質(zhì)（構(gòu)成我們的物質(zhì)）相似，它有質(zhì)量，因此有重力。但是，它不發(fā)光，也不與普通物質(zhì)相互作用，這就讓它成為魔幻自己的把戲。我們有大量的理由相信它的存在，但是我們從來沒有直接探測(cè)到過它。

多年來，許多潛在的暗物質(zhì)候選者已經(jīng)被淘汰，只留下了越來越多可能的奇異候選者，比如尚未被發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子。

首要候選者是軸子，目前通過量子模型預(yù)測(cè)出它存在。它們不發(fā)光，不與普通物質(zhì)相互作用，除非通過重力，它們?cè)谟钪嬷锌赡艽罅看嬖?，并且十分難捉摸。它們是符合要求的！

那么，你是怎樣找到那些從未被發(fā)現(xiàn)的東西呢？你必須觀察軸子的預(yù)測(cè)結(jié)果，看看它們是否可以被觀測(cè)到。

中子星是一個(gè)體積非常小，密度非常高，類似于把太陽的質(zhì)量壓縮成一個(gè)直徑只有幾公里的球體。

這幅畫將一個(gè)城市比作曼哈頓。來源：美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心

中子星就是在這里出現(xiàn)的，它是大質(zhì)量恒星爆炸后的殘留物。當(dāng)恒星的外層被炸開時(shí)，其核（高達(dá)太陽質(zhì)量的2.8倍）坍塌，形成了一個(gè)主要由中子組成，且直徑只有幾十公里的物體。這使得它們有非常大的密度、溫度、磁增壓，成為了一個(gè)烘烤軸子的完美烤箱。

當(dāng)中子星核心的質(zhì)子或中子相互靠近時(shí)，它們會(huì)釋放能量?？紤]到恒星核心的溫度是幾十億度，能量可能相當(dāng)高。粒子可以由這種能量產(chǎn)生（這就是E=mc2告訴我們的；物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為能量，反之亦然），且有一種粒子被預(yù)測(cè)為軸子，其數(shù)量龐大。

盡管中子星的密度令人難以置信(一個(gè)六角模塊的大小將超過美國(guó)所有汽車的總和)，軸子將會(huì)從恒星中爆炸，因?yàn)樗娴牟幌矚g與物質(zhì)相互作用。然而，當(dāng)它到達(dá)恒星外部時(shí)，巨大的磁場(chǎng)確實(shí)會(huì)影響它。數(shù)學(xué)很難，但它應(yīng)該能轉(zhuǎn)化成能量，產(chǎn)生x射線。

暗物質(zhì)被認(rèn)為在早期的宇宙中形成了一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)，就像這個(gè)計(jì)算機(jī)模擬的模型，讓星系沿著細(xì)絲形成。資料來源:Springel等人/千年模擬項(xiàng)目

那么，我們只需要把x射線望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)中子星，看看它們是否會(huì)發(fā)射暗物質(zhì)嗎？不，因?yàn)橹凶有菧囟群芨撸芰亢艽?，因此，它一直在發(fā)射x射線。但是，更酷的事是：我們可以計(jì)算出中子星因?yàn)樗臒崃款A(yù)計(jì)能發(fā)射出多少x射線，然后看看它們是否會(huì)發(fā)射出更多的x射線。我們尋求多的x射線。如果我們看到它，那可能是軸子！

事實(shí)證明，有7顆中子星符合上述條件。它們被稱為“壯麗七星”，它們離地球很近(都在距離地球大約2000光年的范圍內(nèi))，獨(dú)立的，并且，在自身形成后一直在冷卻；也就是說，處于超新星的中心。

它們都能被x射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到（特別是錢德拉和xmm -牛頓望遠(yuǎn)鏡），可……除了一個(gè)以外，其他的中子星都有過多的x射線。嗯。

描繪錢德拉x射線天文臺(tái)的藝術(shù)品。資料來源:NASA/CXC & J.VaughanZoom

然而，當(dāng)然也出現(xiàn)了一個(gè)警示。其中2顆中子星表現(xiàn)出明顯的x射線的放射量過量，且達(dá)到了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性差異。另一種過量了，但在統(tǒng)計(jì)上無顯著性差異。另外兩顆過量的情況更不明顯，最后一顆x射線不足。

但是，這是令人鼓舞的。更好的是，這兩顆過量的中子星似乎釋放出了物理學(xué)家用軸子生成模型所預(yù)測(cè)的量。嗯，又一次。

也有可能是那些較少的釋放過量物質(zhì)的中子星需要更多的觀察；使用較長(zhǎng)的曝光時(shí)間可以更容易地看到模糊的東西。并且，中子星將會(huì)根據(jù)各種因素，包括溫度、自旋、磁場(chǎng)強(qiáng)度等決定輻射量。因此，仍然有可能它們都發(fā)射了軸子但我們還不能很好地探測(cè)到x射線。

或者，這里要小心，它可能有一些其它完全不同的解釋，它根本不是軸子。記住，現(xiàn)在軸子完全是理論上的。我們有充分的理由相信它們的存在，但尚未得到證實(shí)。

這幅畫描繪了中子星周圍的磁場(chǎng)。資料來源：凱西·里德/賓夕法尼亞州立大學(xué)

但是，這條X-射線的路似乎能很好的走下去。研究小組關(guān)于需要通過進(jìn)一步觀測(cè)來幫助解決這個(gè)問題進(jìn)行了討論，并提出歐洲雅典娜天文臺(tái)可以幫助解決這個(gè)問題。這將在21世紀(jì)30年代的某個(gè)時(shí)候發(fā)現(xiàn)，所以還需要一段時(shí)間。

不過，在那之前還有很多工作要做，來幫助解決觀測(cè)中的問題。有趣的是，中子星還有另一種可能產(chǎn)生軸子的方法，但這種方法的觀測(cè)結(jié)果是空白的。其他試驗(yàn)也在尋找它們。

我希望他們能夠找到軸子。暗物質(zhì)是迷人的，它對(duì)普通物質(zhì)的強(qiáng)烈排斥是一個(gè)很有趣的事情，但隨著時(shí)間的推移，人們對(duì)它的觀察也變得更加惱火。發(fā)現(xiàn)它們，可以解決天體物理學(xué)和粒子物理學(xué)中的許多問題。

如果他們發(fā)現(xiàn)軸子是不存在呢？那也將會(huì)很有趣。這意味著宇宙中有其他的東西在出現(xiàn)，我們必須想出一套全新的假說來解釋它。但現(xiàn)在，我們一次性只關(guān)注一個(gè)迄今為止未被發(fā)現(xiàn)的謎團(tuán)。

BY: Phil Plait

FY: 糖匣子

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