来自阿姆斯特丹大学、普林斯顿大学和牛津大学的一组物理学家已经证明，被称为轴子的极轻粒子可能出现在中子星周围的大云中。这些轴子可以解释宇宙学家寻找的难以捉摸的暗物质，而且，它们可能并不太难观察。
这项研究发表在《物理评论X》（Physical Review X）杂志上，是之前工作的后续，在之前的工作中，作者也研究了轴子和中子星，但从一个完全不同的角度。
在他们之前的工作中，他们研究的是逃离中子星的轴子，而现在研究人员关注的是那些被中子星引力捕获的轴子。随着时间的推移，这些粒子应该会逐渐在中子星周围形成一层朦胧的云，事实证明，这样的轴子云很可能在我们的望远镜中被观察到。但为什么天文学家和物理学家对遥远恒星周围的朦胧云如此感兴趣呢？
质子、中子、电子、光子——我们大多数人都熟悉其中一些微小粒子的名称。轴子不太为人所知，这有一个很好的理由：目前它只是一种假想的粒子，还没有人探测到。
它以一种肥皂的名字命名，它的存在最早是在20世纪70年代提出的，目的是为了解决一个问题——在我们对一种我们可以很好地观察到的粒子——中子的理解中——与肥皂有关。然而，虽然理论上非常好，但如果这些轴子存在，它们将非常轻，这使得它们很难在实验或观察中被探测到。
今天，轴子也被认为是解释暗物质的首选候选者，暗物质是当代物理学中最大的谜团之一。许多不同的证据表明，我们的宇宙中大约85%的物质是“暗的”，这仅仅意味着它不是由我们已知和目前可以观察到的任何类型的物质组成的。
相反，暗物质的存在只能通过它对可见物质施加的引力影响间接推断出来。幸运的是，这并不自动意味着暗物质与可见物质没有其他相互作用，但如果存在这种相互作用，它们的强度必然很小。顾名思义，任何可行的暗物质候选者都难以直接观测到。
把这些综合起来，物理学家们已经意识到轴子可能正是他们正在寻找的解决暗物质问题的东西。一种还没有被观察到的粒子，它会非常轻，并且与其他粒子的相互作用非常弱……轴子至少可以解释暗物质的部分原因吗？
轴子是暗物质粒子的想法很好，但在物理学中，只有当一个想法有可观察到的结果时，它才是真正好的。在轴子首次被提出可能存在的50年后，究竟有没有一种方法可以观测轴子呢？
当暴露在电场和磁场中时，轴子有望转化为光子——光的粒子——反之亦然。光是我们知道如何观察的东西，但正如前面提到的，相应的相互作用强度应该非常小，因此轴子通常产生的光量也非常小。也就是说，除非考虑一个包含真正大量轴子的环境，理想情况下是在非常强的电磁场中。
这导致研究人员考虑中子星，这是我们宇宙中已知密度最大的恒星。这些天体的质量与太阳相似，但被压缩成12至15公里大小的恒星。
如此极端的密度创造了一个同样极端的环境，值得注意的是，它还包含了巨大的磁场，比我们在地球上发现的任何磁场都强数十亿倍。最近的研究表明，如果轴子存在，这些磁场允许中子星在其表面附近大量产生这些粒子。
在他们之前的工作中，作者关注的是那些在产生后逃离恒星的轴子——他们计算了这些轴子产生的数量，它们将遵循的轨迹，以及它们如何转化为光，从而导致一个微弱但可能可观察到的信号。
这一次，他们考虑的是那些无法逃脱的轴子——尽管它们的质量很小，但却被中子星巨大的引力所吸引。
由于轴子的相互作用非常微弱，这些粒子将留在周围，在数百万年的时间尺度上，它们将在中子星周围积聚。这可能导致中子星周围形成非常密集的轴子云，这为轴子研究提供了一些令人难以置信的新机会。
在他们的论文中，研究人员研究了这些轴子云的形成、性质和进一步演化，指出它们应该存在，而且在许多情况下必须存在。
事实上，作者认为，如果轴子存在，轴子云应该是通用的（对于广泛的轴子性质，它们应该在大多数，甚至所有中子星周围形成），它们通常应该非常密集（形成的密度可能比当地暗物质密度大20个数量级），正因为如此，它们应该导致强大的观测特征。
后者可能有多种类型，其中作者讨论了两种：在中子星生命周期的大部分时间内发出的连续信号，以及在中子星生命周期结束时停止产生电磁辐射时的一次性光爆发。这两种特征都可以被观察到，甚至可以使用现有的射电望远镜来探测超越当前限制的轴子和光子之间的相互作用。
虽然到目前为止，还没有观测到轴子云，但有了新的结果，我们非常精确地知道要寻找什么，这使得彻底搜索轴子变得更加可行。因此，虽然任务清单上的重点是“寻找轴子云”，但这项工作也开辟了一些新的理论探索途径。
首先，其中一位作者已经参与了研究轴子云如何改变中子星本身动力学的后续工作。另一个重要的未来研究方向是轴子云的数值模拟：本论文显示了巨大的发现潜力，但需要更多的数值模拟来更准确地知道要寻找什么和在哪里。
最后，目前的结果都是针对单个中子星的，但其中许多恒星是双星的组成部分——有时与另一颗中子星在一起，有时与一个黑洞在一起。了解这类系统中轴子云的物理特性，并可能理解它们的观测信号，将是非常有价值的。
因此，目前的工作是朝着一个新的和令人兴奋的研究方向迈出的重要一步。对轴子云的全面理解将需要多个科学分支的补充努力，包括粒子（天文）物理学、等离子体物理学和观测射电天文学。
这项工作开辟了这个新的跨学科领域，为未来的研究提供了很多机会。
