暗物质之谜：超新星爆炸能否揭示轴子存在？

近一个世纪以来，天文学家与物理学家始终致力于探索暗物质。尽管暗物质占据了宇宙总质量的约85%，但其性质仍然扑朔迷离，只能通过其对可见物质的引力效应来间接探测。

但这种局面可能马上就要被打破了。

最新的一项研究表示，与我们邻近的超新星有望成为理解这一神秘物质的关键所在，特别是通过轴子的探测，轴子是被视为解决暗物质问题的重要假设粒子。

暗物质是一个术语，用于描述一种不发射、吸收或反射光线的物质形态，因此无法直接观测，仅能通过其引力效应来检测。

这一概念起源于20世纪初，当时天文学家发现，根据星系的可见成分推算出的质量与星系实际产生的引力效应存在显著差异。随着时间的推移，科学家提出了多种暗物质候选者，包括：

• MACHO（大型紧凑光晕天体）：这些大型天体，如黑洞或中子星，能够解释暗物质的引力效应。
• WIMP（弱相互作用大质量粒子）：这些假设的粒子一度被视为暗物质的主要候选者，但尚未在实验室实验中检测到。
• 轴子：目前，轴子被视为暗物质最具潜力的候选者之一，是粒子物理标准模型某些扩展理论所预测的轻质粒子。

轴子于20世纪70年代首次被提出，作为解决量子色动力学（QCD）中强CP问题的一种方案。

理论上，轴子与普通物质的相互作用非常微弱，因此难以探测。如果轴子存在，它们将在高能天体物理事件（如超新星）期间大量产生。

加州大学伯克利分校的研究人员最近的研究指出，邻近的超新星提供了直接探测轴子的机会。他们的研究发现，在大质量恒星核心塌缩成中子星后的最初十秒内，会产生大量轴子。

而这些轴子随后可以在恒星周围的强磁场中转化为高能伽马射线。

伽马射线是电磁辐射的最高能量形式，为超新星爆炸期间轴子的产生提供了重要证据。

费米伽马射线太空望远镜是目前在轨运行的唯一伽马射线天文台，如果它恰好在邻近超新星爆炸时对准观测方向，就有可能探测到这些伽马射线。

然而，这种观测条件在统计上较为罕见，研究人员指出，其出现的概率大约为十分之一。

伽马射线检测过程

1. 超新星爆炸：当一颗大质量恒星耗尽核燃料时，会发生核心塌缩并爆炸形成超新星。
2. 轴子的产生：在塌缩后的最初阶段，轴子大量产生。
3. 伽马射线转换：由于与恒星磁场的相互作用，这些轴子可以转化为伽马射线。
4. 探测：如果费米望远镜当时正在进行观测，它可能会探测到这些伽马射线，并提供关于轴子质量和特性的关键数据。

邻近超新星的罕见性给研究人员带来了重大挑战。历史上，此类事件在我们的银河系或其卫星星系内大约每隔几十年才会发生一次。

最近一次重要的邻近超新星是SN 1987A，位于大麦哲伦星云中。虽然当时有能够探测伽马射线的仪器，但它们缺乏探测轴子产生所需强度的灵敏度。

加州大学伯克利分校副教授、该领域近期研究的主要作者本杰明·萨夫迪（Benjamin Safdi）强调，如果我们使用费米等现代仪器观测到另一颗与SN 1987A类似的超新星，我们将能够在大约十秒内迅速证实或排除各种理论质量的轴子。

探测来自邻近超新星的伽马射线将对我们对暗物质的理解产生深远影响：

• 确认轴子的存在：成功的探测将验证轴子作为暗物质候选者的存在。
• 确定质量和性质：这将使科学家能够在广泛的理论值范围内确定轴子的质量和相互作用强度。
• 排除替代方案：相反，如果尽管观测到超新星爆炸却没有检测到伽马射线，那么许多关于潜在轴子质量的现有理论将变得无关紧要。

鉴于探测邻近超新星发出的伽马射线的潜在意义，研究人员主张增强观测能力：

伽马射线望远镜群：科学家建议发射多个能够连续覆盖更多天空的伽马射线望远镜，以增加捕捉此类罕见事件的机会。

GALAXIS计划：提出的星座名为GALACTIC AXion超新星探测器（GALAXIS），旨在确保全面监测与超新星相关的任何潜在伽马射线爆发。

暗物质的探索已达到了一个激动人心的阶段，超新星等天文事件有望为物理学最大的谜团之一提供重要见解。当研究人员为未来观测和与轴子相关的潜在发现做准备时，他们仍然期待好运能够尽快降临，让邻近的超新星爆炸为他们带来突破性的进展，从而深化我们对暗物质的理解。