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類軸子粒子是假想的暗物質(zhì)候選粒子，其核心特性是可與光和電子發(fā)生極微弱的相互作用。恒星核心如同高溫高壓的熔爐，可通過光子轉(zhuǎn)化、光子聚變、康普頓散射以及軔致輻射等多種物理過程產(chǎn)生質(zhì)量在千電子伏特（keV）量級(jí)的類軸子粒子。其中，運(yùn)動(dòng)速度較低的類軸子粒子會(huì)被恒星引力捕獲，并被長(zhǎng)期束縛在恒星軌道附近形成“暗物質(zhì)云”，進(jìn)而不斷積累。這些被“囚禁”的類軸子粒子隨后會(huì)衰變成兩個(gè)光子，其能量等于類軸子質(zhì)量的一半，在X射線波段表現(xiàn)為獨(dú)特的單色譜線信號(hào)。此前，有研究通過分析太陽(yáng)的數(shù)據(jù)，獲得對(duì)類軸子粒子的精確限制。

近期，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員蔡岳霖和范一中團(tuán)隊(duì)在類軸子粒子探測(cè)領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究人員利用高靈敏度X射線觀測(cè)數(shù)據(jù)，顯著提升了類軸子-光子耦合強(qiáng)度上限，較此前最佳限制提高了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

研究指出，盡管太陽(yáng)具有距離地球近、易于探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，但由于其輻射流量過高，一些高靈敏度的軟X射線衛(wèi)星難以對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行觀測(cè)。南門二雙星系統(tǒng)因距離地球適中、年齡老，是探測(cè)keV類軸子的理想探測(cè)目標(biāo)。該團(tuán)隊(duì)精確計(jì)算了軔致輻射等關(guān)鍵產(chǎn)生過程及其在引力阱中的累積效應(yīng)，并利用錢德拉和eROSITA衛(wèi)星高靈敏度X射線觀測(cè)數(shù)據(jù)，在0.2–10keV能段精細(xì)搜尋這類特征譜線。盡管未發(fā)現(xiàn)顯著的類軸子衰變信號(hào)，但該研究給出了迄今最強(qiáng)的限制。進(jìn)一步，在類軸子-電子耦合較弱時(shí)，研究人員提升了質(zhì)量在0.25–5keV范圍的類軸子-光子耦合強(qiáng)度上限。與此前太陽(yáng)X射線、球狀星團(tuán)氦閃星、超新星SN 2023ixf及中子星并合GW170817等的最佳天文限制相比，提高了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院及江蘇省等的支持。

論文鏈接

類軸子-光子耦合強(qiáng)度隨類軸子質(zhì)量變化的95%排除限曲線