震驚！物理學家稱中子星或被軸子云包裹
來自阿姆斯特丹大學、普林斯頓大學和牛津大學的一組物理學家指出，被稱爲軸子的極輕粒子可能出現在中子星周圍的大雲中。這些軸子或許能爲宇宙學家苦苦尋覓的神秘暗物質提供一種解釋，而且，它們可能也並非難以觀測。
該研究發表於《物理評論 X》雜誌，是先前工作的延續。在先前的研究中，作者同樣對軸子和中子星進行了研究，不過是從截然不同的視角。
在他們之前的工作裡，他們研究了從中子星逃逸的軸子，如今研究人員把重點放在了留下的那些——即被恆星引力捕獲的軸子上。隨着時間的推移，這些粒子應該會逐漸在中子星周圍形成一片朦朧的雲，事實證明，這樣的軸子云在我們的望遠鏡中很可能是可以觀測到的。但是爲什麼天文學家和物理學家會對遙遠恆星周圍的朦朧雲如此感興趣呢？
質子、中子、電子、光子——我們大多數人至少熟悉其中一些微小粒子的名稱。軸子不太爲人所知，這是有充分理由的：目前它只是一種假設的粒子類型——一種尚未被任何人檢測到的粒子。
它以一種肥皂品牌命名，其存在於 20 世紀 70 年代首次被提出，旨在解決我們對一種能夠被我們很好觀測到的粒子——中子——的理解中存在的一個問題，正因如此才提到了肥皂。然而，儘管在理論上不錯，但如果這些軸子存在，它們會極其輕盈，從而導致在實驗或觀測中難以檢測到它們。
如今，軸子也被視作是解釋暗物質的首要候選對象，而暗物質是當代物理學中的一大謎團。許多不同的證據表明，我們宇宙中大約 85%的物質含量是“暗的”，這僅僅意味着它不是由我們所知道的和目前能夠觀察到的任何類型的物質組成的。
相反，暗物質的存在僅僅是通過其對可見物質所施加的引力影響而被間接推斷得出的。幸運的是，這並非自動意味着暗物質與可見物質完全不存在其他相互作用，但如果這種相互作用存在，其強度必然很小。正因爲如此，顧名思義，任何可行的暗物質候選者都極難被直接觀測到。
綜合各方面因素考慮，物理學家已經意識到軸子可能恰恰是他們爲解決暗物質問題而尋找的。一種尚未被觀測到的粒子，其質量極其輕，並且與其他粒子的相互作用十分微弱……軸子能至少是暗物質的部分解釋嗎？
軸子作爲暗物質粒子的想法很好，但在物理學中，一個想法只有具有可觀測的結果纔是真正好的。在首次提出其可能存在的五十年後，究竟有沒有辦法觀測到軸子呢？
當處於電場和磁場中時，軸子預計能夠轉化爲光子——即光的粒子——反之亦然。光是我們知道如何觀測的東西，但如前所述，相應的相互作用強度應該非常小，因此軸子通常產生的光量也很小。也就是說，除非考慮一個包含真正大量軸子的環境，理想情況下是在非常強的電磁場中。
這促使研究人員考慮中子星，它是我們宇宙中已知密度最大的恆星。這些物體的質量與我們的太陽相似，但被壓縮成 12 至 15 公里大小的恆星。
如此極端的密度造就了同樣極端的環境，要特別指出的是，這裡面還存在着巨大的磁場，其強度比我們在地球上所發現的任何磁場都要強數十億倍。
在他們此前的工作裡，作者着重關注了產生後逃離恆星的軸子——他們算出了這些軸子的生成量、它們所遵循的軌跡，還有它們轉化爲光怎樣導致了微弱但可能能觀測到的信號。
這一回，他們考慮了那些沒能逃脫的軸子——那些儘管質量很小，卻被中子星巨大的引力給捕獲的軸子。
由於軸子的相互作用極其微弱，這些粒子就會留在周邊，在長達數百萬年這樣的時間尺度上，它們會在中子星周圍積聚起來。
這或許會致使在中子星周圍形成極爲密集的軸子云，給軸子研究提供了一些令人難以相信的新契機。
在他們的論文裡，研究人員對這些軸子云的形成、性質以及進一步的演化進行了研究，指出它們應當存在，並且在很多情況下肯定存在。
事實上，作者們認爲，如果軸子存在，軸子云應當是普遍存在的（對於廣泛的軸子特性，它們應該在大多數，甚至可能是所有的中子星周圍形成），它們通常會非常密集（所形成的密度可能比當地暗物質的密度大二十個數量級），正因爲如此，它們應該會導致強大的觀測特徵。
後者可能有多種類型，作者討論了兩種：在中子星壽命的大部分時間裡發出的連續信號，但在中子星生命結束，停止產生電磁輻射時，還會有一次性的光爆發。這兩種特徵都可以被觀測到，並用於探測軸子和光子之間超出當前限制的相互作用，甚至可以使用現有的射電望遠鏡。
雖然到目前爲止，還沒有觀察到軸子云，但有了新的結果，我們非常清楚要尋找什麼，使得對軸子進行徹底搜索變得更加可行。因此，待辦事項清單上的主要要點是“尋找軸子云”，但這項工作也開闢了幾條新的可供探索的理論途徑。
一方面，其中一位作者已經參與了後續工作，研究軸子云如何改變中子星本身的動力學。另一個重要的未來研究方向是軸子云的數值建模：本文展現出巨大的發現潛力，但需要更多的數值建模，以更準確地知曉要尋找什麼以及在哪裡尋找。
最後，目前的結果都是針對單箇中子星的，但許多這些恆星作爲雙星的組成部分出現——有時與另一箇中子星一起，有時與一個黑洞一起。理解這種系統中軸子云的物理性質，並可能理解它們的觀測信號，將是非常有價值的。
因此，當前這項工作是全新且令人興奮的研究方向中的重要一步。要全面理解軸子云，需要來自多個科學分支的相互補充的努力，包括粒子（天體）物理學、等離子體物理學和觀測射電天文學。
這項工作開啓了這一新的跨學科領域，爲未來研究帶來了諸多機會。