奇异天体轴子星形成的过程：行为如同单个粒子

　　在轴子星（或者更确切地说是玻色子星）上，每个轴子将处于最低的能量水平上，意味着整个星体将具有相同的量子行为，如同一个巨大的粒子。

　　北京时间11月13日消息，据国外媒体报道，宇宙中潜藏着一些类似恒星的奇异天体，它们的行为就像一个个巨大的原子。研究人员首次揭示了这些奇特的量子恒星形成的可能过程。
　　如果这些星体确实存在，那它们或许就能帮助我们了解暗物质到底是什么。暗物质不会发出任何光线，却组成了27%的宇宙。这些星体还可能是快速射电暴（fast radio burst，简称FRB）的源头。这种仅维持数毫秒的电波脉冲令天文学家十分困惑，甚至有人认为它们来自外星文明。
　　与一般的恒星不同，这些所谓的“轴子星”（如果它们存在的话）并不会发光。它们由一种假想的粒子——轴子（axion）——组成，而轴子被认为是暗物质的组成部分之一。不同理论对轴子质量的预测结果相差很大，但总体而言，物理学家都认为轴子非常轻，其质量只有电子的五千亿分之一到五千万分之一。
　　寒冷黑暗的星体
　　轴子是一种假想的亚原子粒子，最初是20世纪70年代为了解决CP守恒问题而提出来的。目前，意大利国立核子物理研究所的PVLAS探测器正在努力寻找它们。如果轴子确实存在，那它们将很难发生相互作用，但如果引力将它们结合在一起，就可能形成一个具有奇特性质的密集球体，与其他类型的恒星都不相同。这是因为轴子是玻色子——一类包括光子在内的粒子。
　　在量子物理学中，粒子具有离散的能量值，即粒子以特定的能量水平存在。对于玻色子而言，多个粒子可以同时处于相同的能量水平，而不同于另一类被称为“费米子”的粒子（包括电子和质子）。在轴子星（或者更确切地说是玻色子星）上，每个轴子将处于最低的能量水平上，意味着整个星体将具有相同的量子行为，如同一个巨大的粒子。
　　如此奇特的物体又被称为“玻色-爱因斯坦凝聚”（Bose-Einstein condensate）。物理学家曾在实验室中通过将原子冷却至接近绝对零度的方法获得了这类物质。在实验室中，这些凝聚还能形成超流体——完全没有黏性和摩擦力的物质状态。
　　新研究的共同作者、俄罗斯科学院核研究所的物理学家德米特里·莱夫科夫（Dmitry Levkov）称，此前一些物理学家表示，质量极小的轴子之间的引力太弱，无法聚集形成恒星。
　　星体的快速形成
　　然而，这项发表在10月12日《物理评论快报》（Physical Review Letters）的研究通过新的计算机模拟显示，轴子星的形成也可以很快，这取决于轴子的质量。对于相对较重的轴子（称为QCD轴子），其形成轴子星的时间约为10亿年。一些物理学家认为QCD轴子是暗物质粒子的理想候选者之一，因为它能解释强相互作用（维持原子核的基本作用力）。
　　莱夫科夫称，对于质量极小的轴子——被昵称为“模糊暗物质”（fuzzy dark matter），比QCD轴子轻约100千万亿倍——就只需要1000万年时间就能形成轴子星。
　　布巴尔·德夫（Bhupal Dev）是圣路易斯华盛顿大学的物理学家，并未参与此次研究。他说：“真正有意思的是，如果给予足够的时间，只需要引力就能形成玻色-爱因斯坦凝聚，而这段时间比宇宙的年龄还要小。”
　　莱夫科夫说，之前的模拟从较小的轴子玻色-爱因斯坦凝聚开始，这些凝聚之后会互相吸引，形成轴子星。但是在新的模拟中，研究人员从一团轴子气体开始，发现它们自己形成了一个星体。“当我们看到这个玻色-爱因斯坦星的时候，我们非常兴奋。”随着时间推移，这个星体将继续累积轴子，不断成长。
　　塞巴斯蒂安·鲍姆（Sebastian Baum）是瑞典斯德哥尔摩大学的物理学家，并未参与此项研究。“这项工作做得很漂亮，”他说，“对于理解这类物体，以及一般意义的轴子暗物质而言，这是非常重要的一步。”
　　鲍姆表示，如果这些星体中含有大量的暗物质，那么其他地方的轴子可能会更罕见，从而使华盛顿大学的“轴子暗物质实验”（Axion Dark Matter Experiment）的探测器更难以在地球上发现轴子。
　　轴子星本身还可能产生可检测的信号。轴子可以衰变为光子，而来自轴子星的一系列粒子反应可能会产生可检测的辐射。而且，如果一颗轴子星撞上一颗中子星，就可能产生强大的射频辐射，或许还能为天文学家一直困惑的快速射电暴提供解释。过去几年中，天文学家已经发现了数十个来源未知的快速射电暴信号，并催生了各种各样的解释，包括这些信号可能来自外星文明。（任天）

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