震惊！物理学家称中子星或被轴子云包裹
来自阿姆斯特丹大学、普林斯顿大学和牛津大学的一组物理学家指出，被称为轴子的极轻粒子可能出现在中子星周围的大云中。这些轴子或许能为宇宙学家苦苦寻觅的神秘暗物质提供一种解释，而且，它们可能也并非难以观测。
该研究发表于《物理评论 X》杂志，是先前工作的延续。在先前的研究中，作者同样对轴子和中子星进行了研究，不过是从截然不同的视角。
在他们之前的工作里，他们研究了从中子星逃逸的轴子，如今研究人员把重点放在了留下的那些——即被恒星引力捕获的轴子上。随着时间的推移，这些粒子应该会逐渐在中子星周围形成一片朦胧的云，事实证明，这样的轴子云在我们的望远镜中很可能是可以观测到的。但是为什么天文学家和物理学家会对遥远恒星周围的朦胧云如此感兴趣呢？
质子、中子、电子、光子——我们大多数人至少熟悉其中一些微小粒子的名称。轴子不太为人所知，这是有充分理由的：目前它只是一种假设的粒子类型——一种尚未被任何人检测到的粒子。
它以一种肥皂品牌命名，其存在于 20 世纪 70 年代首次被提出，旨在解决我们对一种能够被我们很好观测到的粒子——中子——的理解中存在的一个问题，正因如此才提到了肥皂。然而，尽管在理论上不错，但如果这些轴子存在，它们会极其轻盈，从而导致在实验或观测中难以检测到它们。
如今，轴子也被视作是解释暗物质的首要候选对象，而暗物质是当代物理学中的一大谜团。许多不同的证据表明，我们宇宙中大约 85%的物质含量是“暗的”，这仅仅意味着它不是由我们所知道的和目前能够观察到的任何类型的物质组成的。
相反，暗物质的存在仅仅是通过其对可见物质所施加的引力影响而被间接推断得出的。幸运的是，这并非自动意味着暗物质与可见物质完全不存在其他相互作用，但如果这种相互作用存在，其强度必然很小。正因为如此，顾名思义，任何可行的暗物质候选者都极难被直接观测到。
综合各方面因素考虑，物理学家已经意识到轴子可能恰恰是他们为解决暗物质问题而寻找的。一种尚未被观测到的粒子，其质量极其轻，并且与其他粒子的相互作用十分微弱……轴子能至少是暗物质的部分解释吗？
轴子作为暗物质粒子的想法很好，但在物理学中，一个想法只有具有可观测的结果才是真正好的。在首次提出其可能存在的五十年后，究竟有没有办法观测到轴子呢？
当处于电场和磁场中时，轴子预计能够转化为光子——即光的粒子——反之亦然。光是我们知道如何观测的东西，但如前所述，相应的相互作用强度应该非常小，因此轴子通常产生的光量也很小。也就是说，除非考虑一个包含真正大量轴子的环境，理想情况下是在非常强的电磁场中。
这促使研究人员考虑中子星，它是我们宇宙中已知密度最大的恒星。这些物体的质量与我们的太阳相似，但被压缩成 12 至 15 公里大小的恒星。
如此极端的密度造就了同样极端的环境，要特别指出的是，这里面还存在着巨大的磁场，其强度比我们在地球上所发现的任何磁场都要强数十亿倍。
在他们此前的工作里，作者着重关注了产生后逃离恒星的轴子——他们算出了这些轴子的生成量、它们所遵循的轨迹，还有它们转化为光怎样导致了微弱但可能能观测到的信号。
这一回，他们考虑了那些没能逃脱的轴子——那些尽管质量很小，却被中子星巨大的引力给捕获的轴子。
由于轴子的相互作用极其微弱，这些粒子就会留在周边，在长达数百万年这样的时间尺度上，它们会在中子星周围积聚起来。
这或许会致使在中子星周围形成极为密集的轴子云，给轴子研究提供了一些令人难以相信的新契机。
在他们的论文里，研究人员对这些轴子云的形成、性质以及进一步的演化进行了研究，指出它们应当存在，并且在很多情况下肯定存在。
事实上，作者们认为，如果轴子存在，轴子云应当是普遍存在的（对于广泛的轴子特性，它们应该在大多数，甚至可能是所有的中子星周围形成），它们通常会非常密集（所形成的密度可能比当地暗物质的密度大二十个数量级），正因为如此，它们应该会导致强大的观测特征。
后者可能有多种类型，作者讨论了两种：在中子星寿命的大部分时间里发出的连续信号，但在中子星生命结束，停止产生电磁辐射时，还会有一次性的光爆发。这两种特征都可以被观测到，并用于探测轴子和光子之间超出当前限制的相互作用，甚至可以使用现有的射电望远镜。
虽然到目前为止，还没有观察到轴子云，但有了新的结果，我们非常清楚要寻找什么，使得对轴子进行彻底搜索变得更加可行。因此，待办事项清单上的主要要点是“寻找轴子云”，但这项工作也开辟了几条新的可供探索的理论途径。
一方面，其中一位作者已经参与了后续工作，研究轴子云如何改变中子星本身的动力学。另一个重要的未来研究方向是轴子云的数值建模：本文展现出巨大的发现潜力，但需要更多的数值建模，以更准确地知晓要寻找什么以及在哪里寻找。
最后，目前的结果都是针对单个中子星的，但许多这些恒星作为双星的组成部分出现——有时与另一个中子星一起，有时与一个黑洞一起。理解这种系统中轴子云的物理性质，并可能理解它们的观测信号，将是非常有价值的。
因此，当前这项工作是全新且令人兴奋的研究方向中的重要一步。要全面理解轴子云，需要来自多个科学分支的相互补充的努力，包括粒子（天体）物理学、等离子体物理学和观测射电天文学。
这项工作开启了这一新的跨学科领域，为未来研究带来了诸多机会。