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

揭开暗物质的本质的探索是当今科学界最大的挑战之一，但是最终了解这种神秘物质的关键很可能在于星星，或者准确地说，是一种特殊类型的恒星--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，但不能直接观察到它。在地球上的实验中实际探测暗物质粒子是一项艰巨的任务，因为暗物质粒子与常规物质的相互作用极为罕见。

中子星的密度足以捕获暗物质，图为太空中旋转的中子星的动画。

为了搜索这些令人难以置信的罕见信号，我们需要一个非常大的探测器--也许大到在地球上建造一个足够大的探测器是不现实的。然而，《自然》杂志以中子星的形式提供了另一种选择--整个中子星可以充当终极暗物质探测器。

在发表于《物理评论快报》的研究中，我们已经确定了如何更准确地使用从这些独特的天然暗物质探测器中获得的信息。

中子星是已知存在的最密集的恒星，当巨型恒星在超新星爆炸中死亡时形成。留下的是一个塌陷的核心，在这个核心中，重力将物质紧紧地压在一起，质子和电子结合成了中子。中子星的质量与太阳相当--被压缩到10公里的半径内--一茶匙的中子星物质的质量约为10亿吨，这就是中子星。这些恒星是"宇宙实验室"，使我们能够研究暗物质在地球上无法复制的极端条件下是如何表现的。

暗物质只与普通物质发生非常微弱的相互作用。例如，它可以穿过一光年的铅（约10万亿公里）而不被阻止。然而，令人难以置信的是，中子星的密度很大，它们可能能够捕获所有通过它们的暗物质粒子。

虽然暗物质的存在已经被推断出来，但它还没有被直接观察到

从理论上讲，暗物质粒子会与恒星中的中子发生碰撞，失去能量，并被引力困住。随着时间的推移，暗物质粒子将积聚在恒星的核心。预计这将使古老、寒冷的中子星升温，达到未来观测所能达到的水平。在极端情况下，暗物质的积累可能会引发恒星坍缩成一个黑洞。

这意味着中子星可能允许我们探测某些类型的暗物质，这些暗物质在地球上的实验中很难或不可能观察到。

在地球上，暗物质实验寻找微小的核反冲信号，这些信号是由缓慢移动的暗物质粒子的难以置信的罕见碰撞造成的。相比之下，中子星的强大引力场将暗物质加速到准相对论的速度，带来能量高得多的碰撞。基于地球的探测的另一个问题是，核反冲实验对与原子核质量相似的暗物质粒子最为敏感，因此更难探测到可能更轻或更重的暗物质。然而，理论上暗物质粒子可以被困在恒星和行星中，数量相当大，不管它们有多轻或多重。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。尽管对中子星中暗物质的捕获已经研究了几十年，但现有的计算方法却忽略了重要的物理效应。

用于探测中子星中暗物质的计算需要充分考虑到该星的独特环境。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度的计算进行了关键的改进，这大大改变了答案。

新的研究工作考虑了核子结构，而不是把中子当作点状粒子，并且包括了核子之间的强力影响，而不是把中子当作自由粒子气体来建模。并纳入了恒星的组成、相对论效应、量子统计和引力聚焦。展示了如何正确思考极端中子星环境下的暗物质碰撞，这与地球上的暗物质探测器有很大不同。

这项新的研究大大提高了我们对暗物质捕获率估计的准确性和稳健性。这为更好地确定暗物质与普通物质相互作用的强度铺平了道路。最终，恒星中暗物质积累的证据（或缺乏证据）将提供有价值的线索，说明在地球上的实验努力的目标是什么，帮助揭开暗物质的神秘面纱。