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用比我们在地球上所能建造的更大的探测器来寻找暗物质

时间:2021-11-02 09:38:21   来源:网络  

探索暗物质的本质是当今科学界面临的最大挑战之一,但最终理解这种神秘物质的关键可能在于恒星,或者确切地说,特殊类型的恒星——中子星。到目前为止,科学家们已经能够推断出暗物质的存在,但他们无法直接观察到它。在地球上的实验中,实际探测暗物质粒子是一项困难的任务,因为暗物质粒子与常规物质之间的相互作用非常罕见,中子星的密度足以捕获暗物质。这张图片展示了一个在太空中旋转的中子星的动画
为了搜索这些难以置信的稀有信号,我们需要一个非常大的探测器——可能足够大,可以在地球上建造一个足够大的探测器。然而,自然以中子星的形式提供了另选择——整个中子星可以充当最终的暗物质探测器
在《物理评论快报》上发表的研究中,我们已经确定了如何更准确地利用从这些独特的天然暗物质探测器获得的信息
中子星是已知存在的密度最高的恒星。它们是在巨星在超新星爆炸中死亡时形成的。剩下的是一个坍塌的核心,在这个核心中,重力将物质紧紧地挤压在一起,质子和电子结合成中子。中子星的质量相当于太阳的质量——压缩到10公里的半径——一茶匙中子星材料的质量约为10亿吨,这是一颗中子星。这些星星是;宇宙实验室;,使我们能够研究在地球上无法复制的极端条件下暗物质的行为
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暗物质与普通物质的相互作用非常弱。例如,它可以通过一光年的铅(约10万亿公里)而不被阻挡。然而,令人难以置信的是,中子星的密度如此之高,以至于它们能够捕获所有通过它们的暗物质粒子。
尽管已经推断出暗物质的存在,但还没有直接观察到。理论上,暗物质粒子将与恒星中的中子碰撞,失去能量并被引力捕获。随着时间的推移,暗物质粒子将积聚在恒星的核心。预计这将把这颗古老而寒冷的中子星加热到未来观测所能达到的水平。在极端情况下,暗物质的积累可能导致恒星坍缩成黑洞,这意味着中子星可以让我们探测到某些类型的暗物质,这些物质在地球上的实验中很难或不可能观测到,暗物质实验寻找由缓慢运动的暗物质粒子极为罕见的碰撞所引起的微小的核反冲信号。相反,中子星强大的引力场将暗物质加速到准相对论的速度,导致更高能量的碰撞。地球探测的另一个问题是,核反冲实验对质量与原子核相似的暗物质粒子最为敏感,因此探测可能较轻或较重的暗物质更加困难。然而,从理论上讲,暗物质粒子可以被大量捕获在恒星和行星中,无论它们有多轻或多个。利用中子星探测暗物质的一个关键挑战是确保科学家使用的计算方法充分考虑到恒星的独特环境。虽然中子星中暗物质的捕获已经研究了几十年,但是现有的计算方法忽略了重要的物理效应。中子星探测暗物质的计算需要充分考虑恒星的独特环境。研究人员着手对暗物质捕获率(即暗物质在中子星中积累的速率)的计算进行关键改进,这大大改变了答案
新的研究工作考虑了核子结构,而不是将中子视为点粒子,包括核子之间的强烈影响,而不是将中子模拟为自由粒子气体。包括恒星的组成、相对论效应、量子统计和引力聚焦。它展示了如何正确思考极端中子星环境中的暗物质碰撞,这与地球上的暗物质探测器非常不同。这项新研究大大提高了我们估计暗物质捕获率的准确性和鲁棒性。这为更好地确定暗物质和普通物质之间相互作用的强度铺平了道路。最后,恒星中暗物质积累的证据(或缺乏证据)将为地球上实验工作的目标提供有价值的线索,并有助于揭开暗物质的奥秘。
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