奇異天體軸子星形成的過程：行為如同單個粒子

　　在軸子星（或者更確切地說是玻色子星）上，每個軸子將處于最低的能量水平上，意味著整個星體將具有相同的量子行為，如同一個巨大的粒子。

 

　　新浪科技訊北京時間11月13日消息，據國外媒體報道，宇宙中潛藏著一些類似恒星的奇異天體，它們的行為就像一個個巨大的原子。研究人員首次揭示了這些奇特的量子恒星形成的可能過程。

 

　　如果這些星體確實存在，那它們或許就能幫助我們了解暗物質到底是什么。暗物質不會發出任何光線，卻組成了27%的宇宙。這些星體還可能是快速射電暴（fastradioburst，簡稱FRB）的源頭。這種僅維持數毫秒的電波脈沖令天文學家十分困惑，甚至有人認為它們來自外星文明。

 

　　與一般的恒星不同，這些所謂的“軸子星”（如果它們存在的話）并不會發光。它們由一種假想的粒子——軸子（axion）——組成，而軸子被認為是暗物質的組成部分之一。不同理論對軸子質量的預測結果相差很大，但總體而言，物理學家都認為軸子非常輕，其質量只有電子的五千億分之一到五千萬分之一。

 

　　寒冷黑暗的星體

 

　　軸子是一種假想的亞原子粒子，最初是20世紀70年代為了解決CP守恒問題而提出來的。目前，意大利國立核子物理研究所的PVLAS探測器正在努力尋找它們。如果軸子確實存在，那它們將很難發生相互作用，但如果引力將它們結合在一起，就可能形成一個具有奇特性質的密集球體，與其他類型的恒星都不相同。這是因為軸子是玻色子——一類包括光子在內的粒子。

 

　　在量子物理學中，粒子具有離散的能量值，即粒子以特定的能量水平存在。對于玻色子而言，多個粒子可以同時處于相同的能量水平，而不同于另一類被稱為“費米子”的粒子（包括電子和質子）。在軸子星（或者更確切地說是玻色子星）上，每個軸子將處于最低的能量水平上，意味著整個星體將具有相同的量子行為，如同一個巨大的粒子。

 

　　如此奇特的物體又被稱為“玻色-愛因斯坦凝聚”（Bose-Einsteincondensate）。物理學家曾在實驗室中通過將原子冷卻至接近絕對零度的方法獲得了這類物質。在實驗室中，這些凝聚還能形成超流體——完全沒有黏性和摩擦力的物質狀態。

 

　　新研究的共同作者、俄羅斯科學院核研究所的物理學家德米特里·萊夫科夫（DmitryLevkov）稱，此前一些物理學家表示，質量極小的軸子之間的引力太弱，無法聚集形成恒星。

 

　　星體的快速形成

 

　　然而，這項發表在10月12日《物理評論快報》（PhysicalReviewLetters）的研究通過新的計算機模擬顯示，軸子星的形成也可以很快，這取決于軸子的質量。對于相對較重的軸子（稱為QCD軸子），其形成軸子星的時間約為10億年。一些物理學家認為QCD軸子是暗物質粒子的理想候選者之一，因為它能解釋強相互作用（維持原子核的基本作用力）。

 

　　萊夫科夫稱，對于質量極小的軸子——被昵稱為“模糊暗物質”（fuzzydarkmatter），比QCD軸子輕約100千萬億倍——就只需要1000萬年時間就能形成軸子星。

 

　　布巴爾·德夫（BhupalDev）是圣路易斯華盛頓大學的物理學家，并未參與此次研究。他說：“真正有意思的是，如果給予足夠的時間，只需要引力就能形成玻色-愛因斯坦凝聚，而這段時間比宇宙的年齡還要小。”

 

　　萊夫科夫說，之前的模擬從較小的軸子玻色-愛因斯坦凝聚開始，這些凝聚之后會互相吸引，形成軸子星。但是在新的模擬中，研究人員從一團軸子氣體開始，發現它們自己形成了一個星體。“當我們看到這個玻色-愛因斯坦星的時候，我們非常興奮。”隨著時間推移，這個星體將繼續累積軸子，不斷成長。

 

　　塞巴斯蒂安·鮑姆（SebastianBaum）是瑞典斯德哥爾摩大學的物理學家，并未參與此項研究。“這項工作做得很漂亮，”他說，“對于理解這類物體，以及一般意義的軸子暗物質而言，這是非常重要的一步。”

 

　　鮑姆表示，如果這些星體中含有大量的暗物質，那么其他地方的軸子可能會更罕見，從而使華盛頓大學的“軸子暗物質實驗”（AxionDarkMatterExperiment）的探測器更難以在地球上發現軸子。

 

　　軸子星本身還可能產生可檢測的信號。軸子可以衰變為光子，而來自軸子星的一系列粒子反應可能會產生可檢測的輻射。而且，如果一顆軸子星撞上一顆中子星，就可能產生強大的射頻輻射，或許還能為天文學家一直困惑的快速射電暴提供解釋。過去幾年中，天文學家已經發現了數十個來源未知的快速射電暴信號，并催生了各種各樣的解釋，包括這些信號可能來自外星文明。