这些猛烈的碰撞，可能正在产生暗物质
对于新的物理学来说，中子星的合并可能是极端的。
在遥远的宇宙中，两颗密度极高的坍塌恒星发生碰撞，为了解轴子提供了潜在的线索。轴子（axion）是半个世纪前首次提出的暗物质候选者。
恒星残骸是中子星，是大质量恒星自我坍缩后留下的尸体。这些死亡恒星的密度非常大，它们的电子会坍缩到质子上，因此被称为“中子星”。它们的极高密度也使它们成为研究奇异物理学的场所：具体来说，它们被认为是轴子的来源，轴子是一种假想的粒子，可能对宇宙的暗物质含量有贡献。
本月早些时候发表在《物理评论快报》上的一项新研究，基于大约130光年外中子星合并的光谱和时间数据，对类轴子粒子如何与光子耦合提出了限制。
类轴子粒子（或ALPs）是一种比轴子更普遍的假想暗物质候选者，科学家们相信，通过研究光子和限制粒子的质量范围，可以揭示它们的本质。研究小组在论文中写道，中子星合并过程中产生的类轴子粒子逃离了残骸，并衰变回两个光子，产生了一种可以被望远镜探测到的电磁信号。这些数据来自2017年费米大面积望远镜（Fermi-LAT）对这次碰撞的观测。
圣路易斯华盛顿大学的物理学家、该研究的主要作者布帕尔·德夫（Bhupal Dev）表示：“对于中子星合并，有一个独特的机会可以获得光子信号，我们可以利用这项多方面的研究，利用这些数据来探索一些超越标准模型的新物理。”
暗物质似乎占宇宙的27%，但它与普通物质的相互作用非常弱，科学家只能通过它对我们所能看到的引力效应来探测它。广受欢迎的暗物质候选者（也就是暗物质表观存在的理论化责任方）是弱相互作用大质量粒子（WIMP）、隐藏（或暗）光子、大质量致密晕天体（MACHO），当然还有轴子。
轴子以一种洗衣粉的品牌命名，是20世纪70年代提出的一种假想粒子，作为物理学强CP问题的解决方案。强CP问题描述了这样一个事实，即夸克对物理定律的遵守仍然保持不变，即使粒子被它们的镜像取代。
中子星是宇宙中密度最大的物体之一，仅次于黑洞。与黑洞不同，光可以逃离中子星，使它们在电磁波谱上可见。
布帕尔·德夫解释说，如果轴子确实与光子耦合，轴子可能以几种方式从中子星合并中产生。通过光子聚合，在极热的天体物理环境中，光子聚集在一起并融合，就会产生轴子。轴子产生的另一种方式是普里马科夫（Primakoff）过程，在这个过程中，光子与一群电子相互作用，产生轴子。
轴子是如此之小，以至于它有时表现得更像一个波而不是一个粒子，这意味着它相对容易地逃离犯罪现场。但是质子（相对）质量很大，所以粒子需要一段时间才能从这个相互作用的温床中出来。具体来说，它需要1.7秒：这是研究人员观察到的中子星合并产生的引力波信号与电磁信号之间的延迟时间。
布帕尔·德夫说：“我们从天空中获得了很多光子。那么我们怎么知道这个光子信号来自轴子呢？这是来自粒子的衰变，而不是光子从散射中消失的天体物理过程。所以，在光谱上是有区别的。我们既可以分析时间信息，也可以分析光谱特征。这就是我们可以从标准天体物理过程中分离出这些新物理信号的地方。”
地球上的实验也在努力缩小轴子的潜在质量范围。LUX-Zeplin, XENON-1T和ALPS II实验于2023年5月开始运行，都是为了寻找地下深处的轴子。但也有其他项目，如ADMX和暗物质无线电探路者，致力于限制隐藏（或暗）光子的质量范围，这是另一类暗物质候选者。下一代的暗物质无线电将搜寻轴子。
新的研究“给了类轴子粒子一些新的限制，因为到目前为止我们还没有看到任何轴子的信号，”布帕尔·德夫说。“这也给了我们希望，在未来，通过这些天体物理观测，我们可以更深入地了解轴子样粒子。这将是对正在进行的实验室搜索的补充。”
寻找轴子很像在一个非常非常大的海滩上使用金属探测器。通常情况下，物理学家和天文学家什么也探测不到。但是，寻找轴子和类轴子粒子的所有潜在质量，是最终追踪它们的最好方法。
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