ARC暗物质粒子物理卓越中心最近的一项研究表明，中子星在理解暗物质方面可能起着至关重要的作用。研究发现，当暗物质粒子在中子星内碰撞时，可以迅速加热这些恒星，这有可能使它们通过未来的天文技术被观测到。这种快速加热过程，以前被认为比宇宙的年龄还要长，现在看来在几天内就可以实现，为研究暗物质与常规物质的相互作用提供了一种新的方法。
科学家可能离解开宇宙最大的谜团又近了一步。他们最近的计算表明，中子星在揭示神秘的暗物质方面可能起着至关重要的作用。
在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上发表的一篇论文中，墨尔本大学领导的ARC暗物质粒子物理卓越中心的物理学家们计算出，暗物质粒子在冷死的中子星内部碰撞和湮灭时转移的能量可以迅速加热恒星。
此前人们认为，这种能量转移可能需要很长时间，在某些情况下，比宇宙本身的年龄还长，因此这种加热是无关紧要的。
墨尔本大学的尼科尔·贝尔教授说，新的计算首次表明，大部分能量将在几天内沉积下来。
“寻找暗物质是科学界最伟大的侦探故事之一。暗物质占宇宙物质的85%，但我们却看不见它。暗物质不与光相互作用——它不吸收光，不反射光，也不发光。这意味着我们的望远镜无法直接观测到它，即使我们知道它的存在。相反，它对我们能看到的物体的引力告诉我们它一定在那里。
“理论上预测暗物质是一回事，但通过实验观察它是另一回事。地球上的实验受到制造足够大的探测器的技术挑战的限制。然而，中子星扮演着巨大的天然暗物质探测器的角色，它们在天文时间尺度上一直在收集暗物质，所以它们是我们集中精力的好地方，”贝尔教授说。
中子星在暗物质探测中的作用
中子星是在超大质量恒星耗尽燃料并坍塌时形成的。它们的质量和我们的太阳差不多，被压缩成一个只有20公里宽的球。密度再大一点，它们就会变成黑洞。
“虽然暗物质是宇宙中主要的物质类型，但它很难被探测到，因为它与普通物质的相互作用非常弱。事实上，它是如此微弱，以至于暗物质可以直接穿过地球，甚至穿过太阳。
“但中子星是不同的——它们密度很大，暗物质粒子更有可能与恒星相互作用。如果暗物质粒子与恒星中的中子发生碰撞，它们将失去能量并被困住。随着时间的推移，这将导致恒星中暗物质的积累，”贝尔教授说。
墨尔本大学博士候选人迈克尔·维加托说，这有望将年老、寒冷的中子星加热到未来可能观测到的水平，甚至引发恒星坍缩成黑洞。
“如果能量转移发生得足够快，中子星就会被加热。要做到这一点，暗物质必须在恒星中经历多次碰撞，转移越来越多的暗物质能量，直到最终所有的能量都沉积在恒星中，”维加托说。
之前人们并不知道这个过程需要多长时间，因为随着暗物质粒子的能量变得越来越小，它们再次相互作用的可能性越来越小。因此，转移所有的能量被认为需要很长的时间——有时比宇宙的年龄还长。相反，研究人员计算出99%的能量在几天内就转移了。
“这是个好消息，因为这意味着暗物质可以将中子星加热到可能被探测到的程度。因此，对冷中子星的观测将提供暗物质和常规物质之间相互作用的重要信息，揭示这种难以捉摸的物质的本质。
“如果我们要了解无处不在的暗物质，关键是我们要利用我们掌握的每一种技术来弄清楚我们宇宙中隐藏的物质到底是什么，”Virgato先生说。
参考文献:《中子星中暗物质的热化和湮灭》，作者:Nicole F. Bell、Giorgio Busoni、Sandra Robles和Michael Virgato，发表于2024年4月3日的《宇宙学和天体粒子物理学杂志》。1475 - 7516/2024/04/006 DOI: 10.1088 /
这项研究是由ARC暗物质粒子物理卓越中心的一组国际专家进行的，包括墨尔本大学的Nicole Bell教授和Michael Virgato教授，澳大利亚国立大学的Giorgio Busoni博士和美国费米国家加速器实验室的Sandra Robles博士。
