Bayesian exploration of weakly interacting models of dark matter admixed neutron stars based on multi-density constraints
本研究通过利用多密度约束，对中子星中希格斯门（Higgs-portal）、中子衰变（neutron-decay）以及类轴子粒子（axion-like-particle）暗物质模型进行了统一的贝叶斯分析，结果表明，尽管这些模型在质量-半径预测上存在重叠，但现有数据中度倾向于中子衰变情景，即便目前仍无法明确区分暗部门机制与强子状态方程的不确定性。
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中子星是质量巨大的恒星在爆炸后留下的致密、死亡的核心。它们的密度极高，以至于一茶匙其物质在地球上的重量就高达数十亿吨。在这些恒星内部，物质被挤压到了人类无法在任何实验室中重现的程度。几十年来，物理学家一直试图理解支配这种极端物质的规则，即状态方程（equation of state）。这套规则描述了恒星内部压力如何随密度的增加而变化，从而决定了恒星的大小、最大可能重量，以及在被伴星挤压时的反应。与此同时，天文学家知道宇宙中充满了看不见的暗物质，它们构成了宇宙中的大部分质量，但不发射光线。由于中子星拥有如此强大的引力，它们充当了能够捕获并留住这些暗物质的天然陷阱。如果暗物质存在于中子星内部，它会改变恒星的内部结构，可能使恒星变得更小或改变其振动方式。核心问题在于，我们能否通过观察今天的恒星来判断它们是否隐藏着一个秘密的暗核，以及如果是这样，那会是哪种类型的暗物质。
一组研究人员现在通过运行大规模统计分析来解决这个问题，该分析结合了我们对核物理学的最佳认知与来自太空的最新观测结果。他们专注于关于暗物质如何与中子星内常规物质相互作用的三种不同理论。在第一种情景中，暗物质粒子通过希格斯场（Higgs field）与常规物质进行交流，这也是赋予粒子质量的同一个场。在第二种情景中，当中子在恒星内部衰变为一个暗粒子和一个轻玻色子时，就会产生暗物质。在第三种情景中，一种被称为类轴子粒子（axion-like particle）的轻粒子充当了暗世界与常规世界之间的信使。研究人员不仅仅是一个接一个地测试理论，而是建立了一个统一的框架，用同一组现实世界的数据来测试所有这三种理论。这些数据包括了 NICER 太空望远镜对四颗特定脉冲星的大小和质量的测量值、引力波天文台探测到的两颗中子星碰撞的信息，以及来自地球上重原子核实验的约束。
研究发现，虽然数据对于确定恒星内部常规物质的行为非常有帮助，但很难准确识别出其中存在哪种类型的暗物质。研究人员能够缩小核物质属性的范围，例如它在压力下的硬度或软度，但描述暗物质的具体数值仍然很宽泛且具有不确定性。这是因为不同的暗物质理论可能会产生非常相似的恒星整体大小和重量的结果。例如，所有三种模型都预测最重的中子星质量约为太阳质量的 2.1 倍，且恒星的半径会有显著的重叠。数据无法明确排除任何一种情景，也无法证实暗物质一定存在。研究人员发现，暗物质的存在往往会使恒星变得稍微紧凑，但这种效应非常微妙，以至于可以被常规物质属性的变化所模拟。
然而，这项研究确实揭示了恒星在受到撞击时振动方式的一个显著差异，这种现象被称为星震学（asteroseismology）。研究人员计算了恒星基本振动模式的频率（类似于钟的音调）以及该声音衰减的速度。他们发现，含有来自希格斯门户模型（Higgs-portal model）暗物质的恒星，其振动频率会略高，且衰减速度更快，而含有另外两种模型暗物质的恒星则不然。虽然这种差异很小，且可能的取值范围仍有重叠，但这表明未来足够灵敏以“听见”这些振动的引力波探测器，最终可能能够区分这些理论。目前，数据还不够精确，无法做出这种区分，但前进的路径已经清晰。
当研究人员将这三种单流体模型相互比较，并与暗物质和常规物质形成独立分层的其他理论进行比较时，他们发现中子衰变情景具有轻微的统计学偏好。该模型与综合数据最为一致，紧随其后的是类轴子粒子模型。希格斯门户模型以及两种物质保持分离的理论则稍逊一筹，尽管这些差异还不足以被视为对任何单一理论的决定性胜利。研究结论指出，虽然我们在理解这些模型的极限方面取得了进展，但我们还没有准备好宣布胜者。常规核物质行为的不确定性仍然是最大的障碍。要解开中子星中暗物质的谜团，科学家们需要对恒星的大小和质量进行更好的测量，需要来自核实验的更精确数据，以及能够聆听这些宇宙巨兽微弱、高频振动的能力。在此之前，中子星的黑暗之心仍然是一个引人入胜的可能性，但目前的数据尚无法将其完全揭示。
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