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碰撞的中子星暗示可以解释暗物质的新物理学

(2024-03-17 12:46:40)

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碰撞的中子星暗示可以解释暗物质的新物理学

By Robert Lea

published 16 hours ago

“我们有好的来怀疑超越标准模型的新物理学可能正潜伏在拐角的理由” 。

新的研究表明两颗中子星碰撞并合并来创造一个千新星爆炸可能是一个完美的球体的描画。(Image credit: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)

两颗距离地球约1.3亿光年远的中子星的碰撞以及这次合并创造的独特物理学可能已经揭示暗物质。

由华盛顿大学物理学家布帕尔戴夫进行的一项新研究提示，在这里地球上探测到的为引力波信号GW170817的中子星合并可能帮助在被称为“轴子”的假设粒子上放上约束，轴子是暗物质的主要候选之一。

轴子已经从未被直接探测到，但它们出现在许多将物理学扩展到所谓的粒子物理标准模型之外的模型中，这些模型是我们的目前亚原子粒子及它们彼此相互作用的最佳描述。

暗物质是这样一个对科学家的挑战，因为它不与光相互作用，这意味着对我们的眼睛效果上是看不到它的。暗物质还展示一个明显缺乏与电磁力等其他力的相互作用。总体上，因为这些奇怪的特征，暗物质不能被由电子、质子和中子组成，这些物质是正常物质的成分，包括恒星、行星、我们的身体和在一个日常基础上我们周围的一切。

这个秘密进一步被我们晓知的并且被包含在标准模型中仅占宇宙总物质的15%的日常物质这一事实加剧。

戴夫在一份声明中说，“我们有好的理由来怀疑超越标准模型的新物理可能正潜伏在拐角。极端的天体物理环境如中子星合并在我们的乞求轴子一样暗扇区中提供一个新的机会之窗，这可能把持来理解宇宙中缺失的所有物质的85%的关键”。

轴子正隐藏在中子星残骸吗？

当大质量恒星耗尽它们的内部核聚变所需的燃料供应并不能再支持它们自己抵抗它们自身引力的向内推动时中子星被诞生。随着这种已经存在了数百万年的宇宙平衡行为结束，一颗恒星的外层在一次大规模超新星爆炸中被吹走。

这留下一个坍塌的恒星核，以太阳的质量挤进了一个大约12英里（20公里）的宽度。这是一颗中子星，之所以如此命名是因为它被充满有富含中子的物质。中子星如此大密度以致如果它的一茶匙被挖出并带到地球上它会约为1000万吨重。这大约是帝国大厦的30倍重。

这些中子星并不总是孤立的存在；有时它们涡旋绕着另一个中子星伴星。随这些中子星在这样一个所谓的中子星双星中彼此环绕，它们在空时中创造叫引力波的涟漪。随这些空时涟漪向外辐射，它们从双星带走角动量，造成它的组成恒星的残余物更紧密吸在一起。这个持续到中子星的引力接管并造成它们一起撞击并合并。

毫不惊奇，鉴于中子星的极端性质，两个这样的恒星残余之间的碰撞激发在宇宙中任何其他地方都看不到的混乱的物理学类型。事实上，科学家们已经认为中子星合并是唯一足以剧烈到来锻造比铁更重甚至大质量恒星的沸腾心脏不能创造的元素如金和银的环境。

这是可能的，因为中子星碰撞溅出富含自由中子的物质，通常只被发现与质子一起被锁在原子核中的粒子。

因此，这些中子能被该区域中的原子核吞噬，一个被称为“快速捕获过程”或“r-过程” 的现象。这造成不稳定的最终衰变来创造更轻的元素如金的大质量原子核的创造。这种衰变也产生天文学家从这里我们地球上的有利位置视为千新星的光。

合并还形成了两颗中子星的一个短暂的致密的残骸并迅速坍塌来诞生一个黑洞。

德夫解释道，“在安顿成一个更大的中子星或一个黑洞之前，残骸比单个恒星远更热大约一秒钟，取决于初始质量”。德夫认为，这意味着残骸是异域粒子轴子等的理想产生点。

费米太空望远镜直接从中子星合并和它们创造的异域粒子的衰变探测伽马射线（γ）的描画。(Image credit: P. S. Bhupal Dev, et al, 2024)

这些粒子可能逃离中子星合并的地点并衰变为其他粒子包括光子，这是光的粒子。戴夫及其同事认为，这些逃逸粒子的衰变诞生一种独特的可以被伽马射线望远镜如美国国家航空航天局的费米太空望远镜捕捉到的电磁信号。