无论是在单个星系的诞生和成长中，还是在星系团和其他令人难以置信的巨大宇宙结构的形成中，我们在宇宙中看到的很多东西都受我们看不到的东西支配：暗物质。“暗物质不仅存在于宇宙中的每一个星系中，而且我们需要它来解释宇宙是如何形成的。它确实是我们所看到的一切的种子；它是宇宙中所有结构形成背后的主要因素，” 日内瓦附近欧洲粒子物理实验室 CERN 的 Miguel Escudero Abenza 说。
除了显而易见的事实，即它是暗的——不发光——并且其引力质量充当星系的宇宙支架外，暗物质的大部分方面仍然未知。但是轴子（或更一般而言，类轴子粒子）是理论家为暗物质的真实面貌设计的众多不同候选者中最受欢迎和研究最深入的之一。
轴子最早在 1970 年代被提出，作为解决物理学中与暗物质完全无关的另一个问题的可能方案，它们是假想的超轻粒子，具有极小的质量——其值仅在理论上存在，但可能介于约 10–5 到 10–22 电子伏特之间，或者比难以捉摸的中微子轻数万倍到万亿亿倍。轴子及其“类轴子”理论同类物自然是“暗的”——即电中性的，因此它们仅通过引力与其他物质相互作用，并且是冷的，这意味着它们不会非常多或非常快地移动——这两个属性与科学家们关于暗物质的最佳模型重叠。这使得轴子成为暗物质的绝佳候选者，但也使得它们难以直接探测，这就是为什么尽管它们在近半个世纪前就被提出，但它们仍然完全是理论性的，并且尚未被证实实际存在。
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但是，如果类轴子粒子存在并且确实是暗物质的主要成分，那么 2 月份在《物理评论 D》上发表的两篇论文 提出了一种新的间接探测它们的方法。
合并的恒星
除了寒冷和电中性之外，暗物质通常还遵循第三个要求：它需要是稳定的——或者至少，如果它衰变，该过程需要比当前估计的 138 亿年宇宙年龄更长。否则，暗物质将不再存在，天文学家将看不到其在可观测宇宙中发挥作用的影响。在这方面，轴子与其他暗物质候选者略有不同。轴子应该会衰变——尽管非常缓慢。当它们衰变时，它们应该会发射光子，从而产生潜在的观测效应。“但是，为了探索这种衰变的宇宙学特征，我们需要知道有多少轴子，” Escudero Abenza 说，他是这两篇论文的作者，并领导了其中一项研究。
如果暗物质是由轴子构成的，那么在每个暗物质“晕”的中心应该存在一些特殊的东西，天文学家推测这些晕包围着几乎每个星系。每个晕中心的那种特殊的东西将是一颗轴子星，加州大学洛杉矶分校的博士后研究员杜小龙说，它“就像一颗恒星，因为它是一个紧凑、致密和球形的物体，但它不发光，因为它是暗物质”。杜领导了这两项研究中的第二项，该研究的重点是这种“恒星”可能形成和碰撞的频率。
理论家已经计算出轴子星的最大可能质量——超过这个阈值，这些物体将衰变成光子。在他们的论文中，杜和他的合著者指出，如果两个合并的暗物质晕（例如，附着在合并的星系或星系团上）各自包含一颗低于此临界质量的轴子星，那么这种结合最终也应该将轴子星合并在一起，从而产生一颗新的超大轴子星，这颗轴子星会迅速且爆炸性地衰变。杜说，这是在今天近 140 亿年历史的宇宙中，轴子星有望衰变的少数几种情景之一，因为任何其他质量超过此质量限制的恒星都不可能存在。
一颗典型的轴子星的质量应该在太阳质量的万分之一左右，但这种物体衰变的确切质量阈值仍然未知。鉴于特定的理论临界质量以及根据经验测量的星系在空间中的密度和分布，杜的团队计算出了轴子星应该形成、经历重大合并和爆炸的频率的强约束。
以这项工作为基础，Escudero Albenza 的论文探讨了作为暗物质的轴子星的宇宙学后果。
宇宙抑制
当然，在大爆炸后不久，根本不存在任何类型的恒星——那时，早期宇宙充满了由电子和质子组成的高温高密度等离子体。这种无处不在的等离子体实际上是不透明的，散射光子而不是让它们不受阻碍地通过。然而，随着宇宙的膨胀，等离子体冷却下来，最终变得足够冷，电子和质子结合在一起形成原子。原子的出现就像雾的消散，释放出来自炽热等离子体最后残余物的光，使其流遍宇宙；我们今天看到的那种残留的辉光就是全天空宇宙微波背景 (CMB)。随后恒星的形成——以及它们释放出的所有光辉——最终使宇宙中大部分正常物质重新电离，形成了星系之间存在的稀薄等离子体，即所谓的星系际介质。
在他们的论文中，Escudero Albenza 和他的合著者认为，如果暗物质晕和轴子星也在这段时间形成，那么轴子星的爆炸性衰变将向宇宙注入额外的能量，从而有助于星系际介质的再电离和加热。这种贡献将降低 CMB 的可见性，因为额外的再电离将为星系际介质增加另一层不透明度。该团队对质量在 10–14 到 10–8 电子伏特之间的轴子与光子相互作用的强度施加了限制。尽管这只是潜在轴子质量的广泛范围的一个子集，但落入这个较小理论范围内的轴子将通过加热和电离对 CMB 的光子产生可检测到的影响。“如果轴子星向宇宙注入了额外的能量，那么这个[抑制 CMB 的]过程可能会比预期的更早发生，” 杜说，他也是 Escudero Albenza 论文的作者。
因此，观察 CMB 可能如何被改变——由于轴子星的额外抑制，其信号比预期的小多少——可以成为测量类轴子暗物质的一种方式，尽管这种方式非常间接。
“这些论文表明，即使是非常简单的理论也可能导致非常复杂的行为，而复杂的行为实际上可能非常重要，即使这是一种罕见的现象，” 加州大学欧文分校研究暗物质模型的理论家 Tim Tait 说，他没有参与这两篇论文。他说，这两者都是独特的，因为作者并没有构建一种新颖的暗物质模型，也没有为轴子故事引入任何全新的东西。相反，他们只是对当前的轴子暗物质理论及其预测的现象进行了非常仔细的分析，从而对这些几乎不可能轻如鸿毛且迄今为止仍是假想的粒子如何共同作用以深刻地塑造整个宇宙产生了新的见解。