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在整個宇宙中，暗物質的湮滅可能會使死中子星變暖

宇宙


在整個宇宙中，暗物質的湮滅可能會使死中子星變暖


（左）中子星的插圖（右）藝術家對暗物質分布的印象 。（圖片來源：美國國家航空航天局戈達德航天飛行中心/VOLKER SPRINGEL，MAX PLANCK天體物理研究所）
據美國太空網（Robert Lea）：科學家們推測，一些由已知宇宙中密度最高的物質制成的死恒星，即所謂的“中子星”，可能會成為暗物質粒子的陷阱，這些粒子以高速碰撞在一起并相互湮滅 。研究人員說，反過來，湮滅過程可能會從內到外加熱死去的恒星 。
總的來說 ， 暗物質對研究人員來說是一個有問題的課題，因為盡管暗物質估計占宇宙物質的85%，但它實際上是不可見的，因為它不與光相互作用 。暗物質似乎也不會與由質子、中子和電子組成的“普通物質”相互作用——或者，如果相互作用，這些相互作用是罕見和微弱的 。我們從未見過他們 。這就引出了一個有趣的問題：暗物質是否與自身相互作用？
墨爾本大學的理論物理學家妮可·貝爾對正常物質中電子及其反粒子正電子相遇并湮滅從而釋放能量時發生的暗物質自相互作用感興趣 。暗物質是電中性的，這意味著構成物質的任何粒子理論上也可能有自己的反粒子 。
而且，就像正常物質湮滅一樣，當暗物質粒子相遇時，暗物質湮滅應該發生——中子星可能是這種相互作用的理想極端環境 。
貝爾告訴Space.com：“湮滅是指粒子和反粒子碰撞并相互摧毀 。如果暗物質是自己的反粒子，就會發生這種情況，正如最廣泛研究的暗物質模型中經常假設的那樣 ?！?br>這意味著，如果中子星可以充當“暗物質陷阱”，那么它們就可以發出熱信號 。如果這一點能夠被探測到，中子星可以充當基本的“暗物質探測器”，這將有助于科學家尋找這種實際上看不見的物質形式 。
如何誘捕暗物質
當一顆質量至少是太陽八倍的恒星耗盡其核心核聚變所需的燃料時，中子星就誕生了 。這結束了輻射壓力驅動的向外力 ， 輻射壓力支撐恒星抵抗自身引力的向內力達數百萬年，有時甚至數十億年之久 。
結果 ， 恒星的核心坍塌，發出沖擊波，引發超新星 。這股沖擊波吹走了垂死恒星的外層及其大部分質量，留下了一個質量是太陽質量的一到兩倍的恒星核心，它已經坍塌到大約12英里（20公里）的寬度 。

在整個宇宙中，暗物質的湮滅可能會使死中子星變暖


中子星與曼哈頓島的對比圖 。（圖片來源：美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心）
將相當于50多萬地球的質量擠壓成一個可能位于芝加哥城市范圍內的天體 ， 自然會對恒星核心的物質產生極端影響 。它迫使電子和質子結合在一起，形成中子的海洋，中子是通常只在原子中心發現的粒子 。組成中子星的這片中子海洋密度如此之大，如果將其中一湯匙帶到地球上，它的重量將超過10億噸 。這與珠穆朗瑪峰的重量差不多 。
因此 ， 中子星是由已知宇宙中密度最高的物質組成的，這就是為什么科學家們認為它們的引力影響可能足以誘捕暗物質——盡管暗物質缺乏與光和物質的相互作用，但它確實與引力相互作用 。
貝爾解釋說，當138億年前的宇宙還不到一秒時，暗物質湮滅被認為經常發生，但在當今宇宙中很少發生 。唯一的例外是存在大量暗物質的區域 。
貝爾及其同事發現，如果暗物質確實可以在中子星內部積累，這將恰好提供富含暗物質的環境，從而使其在老化的宇宙中湮滅 。
貝爾說：“你可能會在一個小區域內發現大量暗物質，足以在這些恒星中發生相當數量的暗物質湮滅 ?！?。
貝爾補充說 ， 在地球實驗室的暗物質實驗中 ， 科學家們尋找暗物質粒子與普通物質相互作用的信號，但中子星在這方面具有天然優勢 。
她說：“在實驗室里，我們正在尋找暗物質粒子和原子核之間的碰撞 ?！?。“但如果這種情況能夠發生，那么暗物質也必須能夠與中子星中的中子和質子碰撞 。中子星有很多中子 ?！?br>除此之外，貝爾在研究中子星和暗物質時驚訝地發現，中子星的巨大引力可能會創造另一種條件，使暗物質粒子更可能在這些死恒星內發生自相互作用 。
貝爾說：“當暗物質撞擊中子星時 ， 它會被加速到接近光速的速度 ?！??！斑@很有用，因為它可以提高相互作用的速率，有可能使我們能夠探測一些在地球上的實驗中幾乎不可能看到的暗物質相互作用 。”

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充滿奇異夸克物質的中子星的橫截面，但這些死恒星能隱藏更奇異的東西嗎？（圖片來源：Jyrki Hokkanen/CSC）
暗物質湮滅會向這些死星陷阱釋放熱能，因此該團隊還研究了中子星和它們捕獲的暗物質需要多長時間才能達到所謂的“熱平衡”狀態 。這是兩種物質達到相同溫度，熱量不再在它們之間流動的點 。
這項研究表明，暗物質飽和中子星可以在不超過10000年、短至一年的時間內達到熱平衡，這取決于所使用的模型 。從宇宙的角度來看，這只是一眨眼的功夫 。

在整個宇宙中，暗物質的湮滅可能會使死中子星變暖


在藝術家的插圖中，美國國家航空航天局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可以發現中子星的熱發射 ， 這表明暗物質被湮滅 。（圖片來源：NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez）
為了驗證這一理論，研究人員需要測量中子星的溫度 。發現這些極端死亡的恒星比預期的更熱，將揭示暗物質粒子確實正在其內部湮滅 。然而，這樣的發現絕非易事，因為只有更古老、更冷的中子星才會發出不會被其他光淹沒的熱輻射 。這將需要人類有史以來向太空發射的最強大的觀測儀器：詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 。
貝爾補充道：“我們最感興趣的中子星是非常冷的恒星，很難看到 ?！??！斑@些恒星的溫度將導致近紅外輻射，這可能通過詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）看到 ?！?br>對中子星缺乏了解可能意味著，這種暗湮滅模型可能更容易用像太陽這樣的小恒星死亡時留下的恒星殘骸類型進行測試：白矮星 。
貝爾總結道：“中子星由于其極高的密度，有利于捕捉暗物質 。但它們也是相對鮮為人知的恒星 ?！??！邦愃频南敕ㄒ部梢詰糜谖覀兏私獾钠渌阈?nbsp;， 比如白矮星 ?！?br>如果這一理論被證明是正確的，它不僅能照亮暗物質，還能幫助科學家更好地了解中子星的演化 。
Bell及其同事的研究尚未經過同行評審 ， 可以在論文庫網站arXiv上找到 。