物理学家称暗物质捕获和湮灭可以加热古老孤立的中子星

来自墨尔本大学、澳大利亚国立大学、伦敦国王学院和费米国家加速器实验室的粒子物理学家团队计算出，暗物质粒子在冷中子星内部碰撞和湮灭时转移的能量可以非常快地加热恒星;此前人们认为这种能量转移可能需要很长的时间，在某些情况下，比宇宙本身的年龄还要长，使得这种加热变得无关紧要。

最近有很多关于捕获中子星中暗物质的工作，作为暗物质与普通物质相互作用的敏感探测器。

这有可能用于测试暗物质相互作用，其方式与地球上的实验高度互补，特别是因为暗物质在坠落到中子星期间被加速到相对论速度。

在某些情况下，中子星技术可能会探测在暗物质直接探测实验中很难或不可能观察到的相互作用。这包括太轻而无法在核反冲实验中留下可检测信号的暗物质，或非相对论散射截面动量被抑制的相互作用。

最近有人指出，太阳附近古老、孤立的中子星可能会被暗物质捕获加热，导致温度升高 2000 K。

当年龄超过 1000 万年时，孤立的中子星预计会冷却到低于此温度，前提是它们不会因标准物质的吸积或内部加热机制而被重新加热。

因此，对局部中子星的观测可以对暗物质相互作用提供严格的限制。重要的是，在此范围内的中子星温度将导致近红外发射，未来的望远镜可能可以探测到。

该研究的第一作者、墨尔本大学教授 Nicole Bell 表示：“我们的新计算首次表明，大部分能量将在短短几天内沉积下来。”

“寻找暗物质是科学界最伟大的侦探故事之一。”

“暗物质占宇宙物质的 85%，但我们却看不到它。”

“它不与光相互作用——它不吸收光，不反射光，也不发射光。”

“这意味着我们的望远镜无法直接观察它，即使我们知道它存在。”

“相反，它对我们能看到的物体的引力告诉我们它一定在那里。”

“从理论上预测暗物质是一回事，但通过实验观察它是另一回事。”

“地球上的实验受到制造足够大的探测器的技术挑战的限制。”

“然而，中子星充当了巨大的天然暗物质探测器，它们在天文学上很长的时间尺度上一直在收集暗物质，所以它们是我们集中精力的好地方。”

贝尔教授说：“当超大质量恒星耗​​尽燃料并坍缩时，中子星就会形成。”

“它们的质量与我们的太阳相似，被挤成一个宽度仅 20 公里的球体。如果密度再大一些，它们就会变成黑洞。”

“虽然暗物质是宇宙中占主导地位的物质类型，但它很难被探测到，因为它与普通物质的相互作用非常弱。”

“事实上，暗物质非常弱，以至于可以直接穿过地球，甚至穿过太阳。”

“但中子星不同——它们的密度如此之大，以至于暗物质粒子更有可能与恒星相互作用。”

“如果暗物质粒子确实与恒星中的中子碰撞，它们将失去能量并被捕获。”

“随着时间的推移，这将导致恒星中暗物质的积累。”

墨尔本大学博士说：“预计这会将古老、寒冷的中子星加热到未来观测所能达到的水平，甚至引发恒星塌缩成黑洞。”候选人迈克尔·维尔加托 (Michael Virgato)，该研究的合著者。

“如果能量转移发生得足够快，中子星就会被加热。”

“要实现这一点，暗物质必须在恒星中经历多次碰撞，转移越来越多的暗物质能量，直到最终所有能量都沉积在恒星中。”

“以前不知道这个过程需要多长时间，因为随着暗物质粒子的能量变得越来越小，它们再次相互作用的可能性越来越小。”

“因此，转移所有能量被认为需要很长的时间——有时比宇宙的年龄还要长。”

相反，研究人员计算出 99% 的能量在短短几天内就被转移了。

“这是个好消息，因为这意味着暗物质可以将中子星加热到可能被探测到的水平，”维尔加托说。

“因此，对冷中子星的观测将提供有关暗物质和普通物质之间相互作用的重要信息，从而揭示这种难以捉摸的物质的性质。”

“如果我们要了解无处不在的暗物质，那么我们必须使用我们掌握的一切技术来弄清楚宇宙中隐藏的物质到底是什么，这一点至关重要。”

该研究发表在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》上。