中子星，科學(xué)家的暗物質(zhì)秘密武器

中子星——宇宙基站

中子星的密度是它對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)的關(guān)鍵。

深空中子星插圖（來源：蓋蒂創(chuàng)意）

天文學(xué)家不斷努力尋找暗物質(zhì)，如此難以捉摸的神秘的物質(zhì)形式，主宰著宇宙的質(zhì)量。一位天文學(xué)家提出，與其在地球上投入巨大而昂貴的實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)該嘗試另一種尋找暗物質(zhì)的方法:觀察恒星。

多項(xiàng)獨(dú)立的證據(jù)表明暗物質(zhì)存在。盡管恒星的速度非?？欤撤N力量使它們被束縛在星系內(nèi)，不影響它們有張力的運(yùn)動(dòng)，大質(zhì)量天體周圍光的路徑被扭曲。

據(jù)猜測(cè)，早在物質(zhì)形成大規(guī)模宇宙結(jié)構(gòu)之前，就有某種物質(zhì)開始形成了。

這些“東西”目前都被貼上了暗物質(zhì)的標(biāo)簽，絕大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)是一種新的粒子，目前不包括在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，并且逃避了直接探測(cè)，因?yàn)樗鼛缀醪豢赡繙y(cè)，

如果有的話，與光或物質(zhì)相互作用。

在這張圖片中，暗物質(zhì)粒子穿過銀河系的每一個(gè)角落，包括你現(xiàn)在坐的房間。這些粒子因?yàn)椴豢梢姸幢惶綔y(cè)到。在幾十年里，科學(xué)家們?cè)诘厍蛏辖⒘司薮蟮膶?shí)驗(yàn)室，試圖捕捉到與暗物質(zhì)粒子短暫的相互作用，無濟(jì)于事。中心研究院(Academia Sinica)的天文學(xué)家阮通(Thong Nguyen)在一篇發(fā)表在預(yù)印本網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)arXiv上的論文中指出，大自然有自己的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，還更強(qiáng)大。

在標(biāo)準(zhǔn)的暗物質(zhì)圖像中，暗物質(zhì)在早期宇宙中開始聚集，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于常規(guī)物質(zhì)。占宇宙總質(zhì)量不到20%的星系，只是落入暗物質(zhì)引力井的一些發(fā)光物質(zhì)的口袋?？梢?，暗物質(zhì)主要分布于星系的核心，其密度比太陽(yáng)附近的暗物質(zhì)高數(shù)千倍。

想要尋找暗物質(zhì)，如果堅(jiān)持在地球上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將會(huì)舉步維艱，暗物質(zhì)密度非常低。另一方面，也不可能把實(shí)驗(yàn)搬到25000光年外的銀河系中心。如何直接在尋找暗物質(zhì)呢?

根據(jù)阮通的說法，答案是中子星，即大質(zhì)量恒星在超新星爆發(fā)后留下的核心。在黑洞之后，中子星是宇宙中密度最大的物體;一顆典型的中子星將相當(dāng)于兩到三個(gè)太陽(yáng)的物質(zhì)塞進(jìn)一個(gè)比曼哈頓還小的體積里。它們的密度如此之高，本質(zhì)上相當(dāng)于一英里寬的原子核。如果它們的密度再大一點(diǎn)，它們就會(huì)坍縮成黑洞。

中子星的密度是它探測(cè)暗物質(zhì)的關(guān)鍵。暗物質(zhì)和物質(zhì)的相互作用很罕見(不然，它早已

經(jīng)為人類發(fā)現(xiàn))，它們并非無跡可尋。當(dāng)這兩種物質(zhì)之間發(fā)生微小的、罕見的相互作用，它更有可能發(fā)生在中子星內(nèi)，因?yàn)橹凶有抢锶麧M了很多可以相互作用的東西。

星系中遍布可見中子星，在核心中尤其常見，也是恒星活動(dòng)的蜂巢。有的物質(zhì)正逐漸形成恒星，也有的相互作用著，它們結(jié)合產(chǎn)生恒星，也留下了許多殘留物，比如中子星。事實(shí)上，銀河系中心幾光年的范圍內(nèi)，分布多達(dá)一千顆中子星。

暗物質(zhì)能與普通物質(zhì)相互作用，而與中子星相互作用中將失去能量。經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)年，大量的暗物質(zhì)聚集在中子星內(nèi)部。高密度的暗物質(zhì)容易發(fā)生湮滅，即兩個(gè)粒子相互作用過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞、衰變，成為其他粒子，并產(chǎn)生中微子等，逃離中子星。在地球上，我們有許多中微子望遠(yuǎn)鏡，比如位于南極洲南極的冰立方中微子天文臺(tái)。Nguyen使用這些望遠(yuǎn)鏡的公開數(shù)據(jù)搜索來自銀河系中心的多余中微子信號(hào)。雖然他沒有發(fā)現(xiàn)任何暗物質(zhì)存在的確鑿證據(jù)，但他能夠通過限制暗物質(zhì)與正常物質(zhì)相互作用的能力。

雖然對(duì)暗物質(zhì)缺乏全面的了解，諸如以上的發(fā)現(xiàn)，特別是涉及到將大自然作為測(cè)試實(shí)驗(yàn)室時(shí)，將有助于縮小搜索范圍，并有希望揭示這種難以捉摸的粒子的身份。

BY:Paul Sutter

FY:jane

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