奇異天體軸子星形成的過程：行為如同單個(gè)粒子

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

 

　　新浪科技訊北京時(shí)間11月13日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)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(gè)個(gè)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(shí)存在，那它們或許就能幫助我們了解暗物質(zhì)到底是什么。暗物質(zhì)不會(huì)發(fā)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(jiǎn)稱FRB）的源頭。這種僅維持?jǐn)?shù)毫秒的電波脈沖令天文學(xué)家十分困惑，甚至有人認(rèn)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(huì)發(fā)光。它們由一種假想的粒子——軸子（axion）——組成，而軸子被認(rèn)為是暗物質(zhì)的組成部分之一。不同理論對(duì)軸子質(zhì)量的預(yù)測(cè)結(jié)果相差很大，但總體而言，物理學(xué)家都認(rèn)為軸子非常輕，其質(zhì)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(jì)70年代為了解決CP守恒問題而提出來的。目前，意大利國(guó)立核子物理研究所的PVLAS探測(cè)器正在努力尋找它們。如果軸子確實(shí)存在，那它們將很難發(fā)生相互作用，但如果引力將它們結(jié)合在一起，就可能形成一個(gè)具有奇特性質(zhì)的密集球體，與其他類型的恒星都不相同。這是因?yàn)檩S子是玻色子——一類包括光子在內(nèi)的粒子。

 

　　在量子物理學(xué)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(duì)于玻色子而言，多個(gè)粒子可以同時(shí)處于相同的能量水平，而不同于另一類被稱為“費(fèi)米子”的粒子（包括電子和質(zhì)子）。在軸子星（或者更確切地說是玻色子星）上，每個(gè)軸子將處于最低的能量水平上，意味著整個(gè)星體將具有相同的量子行為，如同一個(gè)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(xué)家曾在實(shí)驗(yàn)室中通過將原子冷卻至接近絕對(duì)零度的方法獲得了這類物質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)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(zhì)狀態(tài)。

 

　　新研究的共同作者、俄羅斯科學(xué)院核研究所的物理學(xué)家德米特里·萊夫科夫（DmitryLevkov）稱，此前一些物理學(xué)家表示，質(zhì)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(xiàng)發(fā)表在10月12日《物理評(píng)論快報(bào)》（PhysicalReviewLetters）的研究通過新的計(jì)算機(jī)模擬顯示，軸子星的形成也可以很快，這取決于軸子的質(zhì)量。對(duì)于相對(duì)較重的軸子（稱為QCD軸子），其形成軸子星的時(shí)間約為10億年。一些物理學(xué)家認(rèn)為QCD軸子是暗物質(zhì)粒子的理想候選者之一，因?yàn)樗芙忉審?qiáng)相互作用（維持原子核的基本作用力）。

 

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

 

　　布巴爾·德夫（BhupalDev）是圣路易斯華盛頓大學(xué)的物理學(xué)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(shí)間，只需要引力就能形成玻色-愛因斯坦凝聚，而這段時(shí)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(huì)互相吸引，形成軸子星。但是在新的模擬中，研究人員從一團(tuán)軸子氣體開始，發(fā)現(xiàn)它們自己形成了一個(gè)星體。“當(dāng)我們看到這個(gè)玻色-愛因斯坦星的時(shí)候，我們非常興奮。”隨著時(shí)間推移，這個(gè)星體將繼續(xù)累積軸子，不斷成長(zhǎng)。

 

　　塞巴斯蒂安·鮑姆（SebastianBaum）是瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的物理學(xué)家，并未參與此項(xiàng)研究。“這項(xiàng)工作做得很漂亮，”他說，“對(duì)于理解這類物體，以及一般意義的軸子暗物質(zhì)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(zhì)，那么其他地方的軸子可能會(huì)更罕見，從而使華盛頓大學(xué)的“軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)”（AxionDarkMatterExperiment）的探測(cè)器更難以在地球上發(fā)現(xiàn)軸子。

 

　　軸子星本身還可能產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào)。軸子可以衰變?yōu)楣庾樱鴣碜暂S子星的一系列粒子反應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生可檢測(cè)的輻射。而且，如果一顆軸子星撞上一顆中子星，就可能產(chǎn)生強(qiáng)大的射頻輻射，或許還能為天文學(xué)家一直困惑的快速射電暴提供解釋。過去幾年中，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)來源未知的快速射電暴信號(hào)，并催生了各種各樣的解釋，包括這些信號(hào)可能來自外星文明。