撞击的中子星暗示了一种可以解释暗物质的新物理学

在浩渺的宇宙深处，两颗中子星跨越了亿万光年的距离，终于迎来了一场惊天动地的碰撞。这一刹那的璀璨，不仅照亮了宇宙的角落，更可能为我们揭开暗物质那神秘的面纱。

暗物质，这个宇宙中的隐形巨人，以其难以捉摸的特性让科学家们头疼不已。它不与光互动，仿佛一位高冷的隐士，独自在宇宙深处游走。然而，正是这位隐士，占据了宇宙中绝大部分的物质，成为我们理解宇宙的关键所在。

两颗中子星碰撞和合并以产生千新星爆炸的插图，新的研究表明这可能是一个完美的球体。 （图片来源：Robin Dienel/Carnegie Institution for Science）

华盛顿大学物理学家Bhupal Dev进行的最新研究表明，距离地球约1.3亿光年的两颗中子星的碰撞以及这次合并所产生的独特物理现象，可能为暗物质带来新的启示。

暗物质对于科学家来说是一个巨大的挑战，因为它不与光相互作用，这意味着对于我们的眼睛来说它是看不见的。暗物质还表现出与电磁力等其他力之间的明显缺乏相互作用。总体而言，由于这些奇怪的特性，暗物质不能由电子、质子和中子组成，而这些是构成恒星、行星、我们的身体以及我们日常生活周围一切的正常物质的成分。

这个谜团进一步复杂化的原因是，我们所熟悉的日常物质，也就是所谓的标准模型所包含的物质，仅占宇宙总物质的15%。

“我们有充分的理由怀疑，在标准模型之外的新物理学可能就在不远处。”Dev在一份声明中说道。“极端的天体物理环境，比如中子星合并，为我们寻找暗能量领域的粒子，比如可能是理解宇宙中85%缺失物质的关键的轴子，提供了一个新的机会之窗。”

轴子是否藏在中子星的残骸中？

中子星是当巨大的恒星耗尽了内部核聚变所需的燃料供应，无法再对抗其自身引力向内的推力时诞生的。当这个已经存在了数百万年的宇宙平衡行为结束时，恒星的外层被抛出形成一次巨大的超新星爆炸。

这样就留下了一个核心坍缩的恒星，其质量相当于太阳的质量，但直径只有约12英里（20公里）。这就是所谓的中子星，因为它充满了富含中子的物质。中子星是如此密集，以至于如果从中舀取一茶匙并带到地球上，它的重量将约为1000万吨，比帝国大厦重约30倍。

这些中子星并不总是单独存在；有时它们会围绕着另一个中子星伴星旋转。当这些中子星以所谓的中子星双星的形式相互绕行时，它们在时空中产生了被称为引力波的波动。随着这些时空波动向外辐射，它们带走了双星的角动量，使其组成部分的残余物质更加紧密地靠拢。直到中子星的引力占据主导地位，将它们撞击并合并为止。

毫不奇怪，由于中子星的极端性质，两个这样的残留物相互碰撞引发了宇宙中其他地方看不到的动荡物理现象。事实上，科学家已经认为中子星合并是唯一足够暴力的环境，可以锻造比铁更重的元素，如黄金和银，即使是大质量恒星的沸腾核心也无法创造。

这是可能的，因为中子星碰撞喷出了富含自由中子的物质，这些粒子通常只在原子核中与质子一起锁定。

这些中子可以被该地区的原子核吞噬，这种现象被称为“快速俘获过程”或“r过程”。这样就产生了不稳定的大质量原子核，最终衰变成黄金等轻元素。这种衰变还产生了天文学家在地球上可以看到的称为“新星”的光。

合并还形成了两个中子星的短暂而致密的残余物，很快就会坍缩形成黑洞。

“残余物在短短一秒钟内比单个恒星要热得多，然后就会变成一个更大的中子星或黑洞，这取决于最初的质量。”Dev解释道。Dev认为这意味着残余物是产生轴子等奇异粒子的理想场所。

费米太空望远镜直接从中子星合并和它们产生的奇异粒子衰变中探测伽马射线（γ）的插图。（图片来源：PS Bhupal Dev 等人，2024 年）

这些粒子可能会逃离中子星合并的地点并衰变成其他粒子，包括光子，即光粒子。Dev和他的同事们认为这些逃逸粒子的衰变会产生一种独特的电磁信号，可以被伽马射线望远镜（如NASA的费米空间望远镜）捕捉到。

团队认为这意味着费米和未来的伽马射线探测仪可以将焦点放在中子星碰撞上，收集数据以提高科学家对轴子等粒子的理解。

这最终可能会导致发现构成暗物质的粒子，解决宇宙学中最紧迫的问题之一：宇宙中的“缺失物质”由什么组成？

该团队的研究于3月5日发表在《物理评论快报》杂志上。