碰撞的中子星暗示了可以解釋暗物質的新物理學 _中子星

新的研究表明，兩顆中子星碰撞合并形成了一個千新星爆炸，這可能是一個完美的球體。（圖片來源：Robin Dienel/卡內基科學研究所）
據美國太空網（Robert Lea）：距離地球約1.3億光年的兩顆中子星的碰撞，以及這次合并所創造的獨特物理，可能為暗物質提供了新的線索。
華盛頓大學物理學家Bhupal Dev進行的一項新研究表明，在地球上探測到的中子星合并，即引力波信號GW170817，可能有助于約束被稱為“軸子”的假設粒子，軸子是暗物質的主要候選者之一。
軸子從未被直接探測到，但它們出現在許多模型中，這些模型將物理學擴展到所謂的粒子物理標準模型之外，這是我們目前對亞原子粒子及其相互作用的最佳描述。
暗物質對科學家來說是一個挑戰，因為它不與光相互作用，這意味著我們的眼睛實際上看不到它。暗物質也表現出明顯缺乏與電磁力等其他力的相互作用。總的來說，由于這些奇怪的特征，暗物質不能由電子、質子和中子組成，這些物質是正常物質的成分，包括恒星、行星、我們的身體和我們周圍的一切。
我們所知道的、包含在標準模型中的日常物質僅占宇宙總物質的15%，這一事實進一步加劇了這個謎團。
德夫在一份聲明中說：“我們有充分的理由懷疑，標準模型之外的新物理可能就在眼前 ?！?。“極端的天體物理環境，如中子星合并，為我們尋找軸子等暗扇區粒子提供了一個新的機會之窗，軸子可能是理解宇宙中缺失的85%物質的關鍵。”
軸子在隱藏中子星殘骸嗎？
當大質量恒星耗盡內部核聚變所需的燃料供應，無法再抵抗自身引力的向內推動時，中子星就誕生了。隨著這種存在了數百萬年的宇宙平衡行為的結束，恒星的外層在一次大規模超新星爆炸中被扔掉。
這留下了一個坍塌的恒星核心，太陽的質量擠進了大約12英里（20公里）的寬度。這是一顆中子星，之所以如此命名，是因為它充滿了富含中子的物質。中子星密度如此之大，如果挖出一茶匙中子星帶到地球上，它的重量約為1000萬噸。這大約是帝國大廈的30倍重。
這些中子星并不總是孤立存在的；有時，它們會圍繞著另一個中子星伴星旋轉。當這些中子星在這樣一個所謂的中子星雙星中圍繞彼此運行時，它們會在時空中產生稱為引力波的漣漪。當這些時空波紋向外輻射時，它們將角動量從雙星中帶走，導致其組成恒星的殘余物緊密地結合在一起。這種情況一直持續到中子星的引力接管并導致它們撞擊在一起并合并。
毫不奇怪，考慮到中子星的極端性質，兩個這樣的恒星殘余之間的碰撞激發了宇宙中其他地方都看不到的混亂的物理類型。事實上，科學家們已經認為，中子星合并是唯一劇烈到足以鍛造比鐵重的元素（如金和銀）的環境，即使是大質量恒星沸騰的心也無法創造這些元素。
這是可能的，因為中子星碰撞會噴出富含自由中子的物質，這些粒子通常只與質子一起被鎖在原子核中。
因此，這些中子可以被該區域的原子核吞噬，這一現象被稱為“快速捕獲過程”或“r-過程” 。這導致產生不穩定的大質量原子核，最終衰變產生更輕的元素，如金。這種衰變也會產生光，天文學家從我們地球上的有利位置將其視為千新星。
合并還形成了兩顆中子星的一個短暫而致密的殘余，并迅速坍塌形成一個黑洞。
德夫解釋道：“在安定下來成為更大的中子星或黑洞之前，殘余恒星比單個恒星熱大約一秒鐘，這取決于初始質量 ?！?。德夫認為，這意味著殘留物是軸子等奇異粒子的理想產生點。

費米太空望遠鏡探測伽馬射線（γ）的圖示，伽馬射線直接來自中子星合并和它們產生的奇異粒子的衰變。（圖片來源：P 。 S.Bhupal Dev等人，2024）
這些粒子可以逃離中子星合并的地點，衰變為其他粒子，包括光子，這是一種光粒子。Dev及其同事認為，這些逃逸粒子的衰變會產生一種獨特的電磁信號，可以被伽馬射線望遠鏡（如美國國家航空航天局的費米太空望遠鏡）捕捉到。
該團隊認為，這意味著費米和未來的伽馬射線探測儀器可以專注于中子星碰撞，以收集數據，提高科學家對軸子和類似粒子的理解。
這可能最終導致暗物質粒子的發現，解決宇宙學中最緊迫的問題之一：宇宙中的“缺失物質”是由什么組成的？
該團隊的研究于3月5日發表在《物理評論快報》雜志上。