無論是在單個星系的誕生和成長中，還是在星系團和其他令人難以置信的巨大宇宙結構的形成中，我們在宇宙中看到的很多東西都受我們看不到的東西支配：暗物質。“暗物質不僅存在於宇宙中的每一個星系中，而且我們需要它來解釋宇宙是如何形成的。它確實是我們所看到的一切的種子；它是宇宙中所有結構形成背後的主要因素，” 日內瓦附近歐洲粒子物理實驗室 CERN 的 Miguel Escudero Abenza 說。
除了顯而易見的事實，即它是暗的——不發光——並且其引力質量充當星系的宇宙支架外，暗物質的大部分方面仍然未知。但是軸子（或更一般而言，類軸子粒子）是理論家為暗物質的真實面貌設計的眾多不同候選者中最受歡迎和研究最深入的之一。
軸子最早在 1970 年代被提出，作為解決物理學中與暗物質完全無關的另一個問題的可能方案，它們是假想的超輕粒子，具有極小的質量——其值僅在理論上存在，但可能介於約 10–5 到 10–22 電子伏特之間，或者比難以捉摸的中微子輕數萬倍到萬億億倍。軸子及其“類軸子”理論同類物自然是“暗的”——即電中性的，因此它們僅透過引力與其他物質相互作用，並且是冷的，這意味著它們不會非常多或非常快地移動——這兩個屬性與科學家們關於暗物質的最佳模型重疊。這使得軸子成為暗物質的絕佳候選者，但也使得它們難以直接探測，這就是為什麼儘管它們在近半個世紀前就被提出，但它們仍然完全是理論性的，並且尚未被證實實際存在。
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但是，如果類軸子粒子存在並且確實是暗物質的主要成分，那麼 2 月份在《物理評論 D》上發表的兩篇論文 提出了一種新的間接探測它們的方法。
合併的恆星
除了寒冷和電中性之外，暗物質通常還遵循第三個要求：它需要是穩定的——或者至少，如果它衰變，該過程需要比當前估計的 138 億年宇宙年齡更長。否則，暗物質將不再存在，天文學家將看不到其在可觀測宇宙中發揮作用的影響。在這方面，軸子與其他暗物質候選者略有不同。軸子應該會衰變——儘管非常緩慢。當它們衰變時，它們應該會發射光子，從而產生潛在的觀測效應。“但是，為了探索這種衰變的宇宙學特徵，我們需要知道有多少軸子，” Escudero Abenza 說，他是這兩篇論文的作者，並領導了其中一項研究。
如果暗物質是由軸子構成的，那麼在每個暗物質“暈”的中心應該存在一些特殊的東西，天文學家推測這些暈包圍著幾乎每個星系。每個暈中心的那種特殊的東西將是一顆軸子星，加州大學洛杉磯分校的博士後研究員杜小龍說，它“就像一顆恆星，因為它是一個緊湊、緻密和球形的物體，但它不發光，因為它是暗物質”。杜領導了這兩項研究中的第二項，該研究的重點是這種“恆星”可能形成和碰撞的頻率。
理論家已經計算出軸子星的最大可能質量——超過這個閾值，這些物體將衰變成光子。在他們的論文中，杜和他的合著者指出，如果兩個合併的暗物質暈（例如，附著在合併的星系或星系團上）各自包含一顆低於此臨界質量的軸子星，那麼這種結合最終也應該將軸子星合併在一起，從而產生一顆新的超大軸子星，這顆軸子星會迅速且爆炸性地衰變。杜說，這是在今天近 140 億年曆史的宇宙中，軸子星有望衰變的少數幾種情景之一，因為任何其他質量超過此質量限制的恆星都不可能存在。
一顆典型的軸子星的質量應該在太陽質量的萬分之一左右，但這種物體衰變的確切質量閾值仍然未知。鑑於特定的理論臨界質量以及根據經驗測量的星系在空間中的密度和分佈，杜的團隊計算出了軸子星應該形成、經歷重大合併和爆炸的頻率的強約束。
以這項工作為基礎，Escudero Albenza 的論文探討了作為暗物質的軸子星的宇宙學後果。
宇宙抑制
當然，在大爆炸後不久，根本不存在任何型別的恆星——那時，早期宇宙充滿了由電子和質子組成的高溫高密度等離子體。這種無處不在的等離子體實際上是不透明的，散射光子而不是讓它們不受阻礙地透過。然而，隨著宇宙的膨脹，等離子體冷卻下來，最終變得足夠冷，電子和質子結合在一起形成原子。原子的出現就像霧的消散，釋放出來自熾熱等離子體最後殘餘物的光，使其流遍宇宙；我們今天看到的那種殘留的輝光就是全天空宇宙微波背景 (CMB)。隨後恆星的形成——以及它們釋放出的所有光輝——最終使宇宙中大部分正常物質重新電離，形成了星系之間存在的稀薄等離子體，即所謂的星系際介質。
在他們的論文中，Escudero Albenza 和他的合著者認為，如果暗物質暈和軸子星也在這段時間形成，那麼軸子星的爆炸性衰變將向宇宙注入額外的能量，從而有助於星系際介質的再電離和加熱。這種貢獻將降低 CMB 的可見性，因為額外的再電離將為星系際介質增加另一層不透明度。該團隊對質量在 10–14 到 10–8 電子伏特之間的軸子與光子相互作用的強度施加了限制。儘管這只是潛在軸子質量的廣泛範圍的一個子集，但落入這個較小理論範圍內的軸子將透過加熱和電離對 CMB 的光子產生可檢測到的影響。“如果軸子星向宇宙注入了額外的能量，那麼這個[抑制 CMB 的]過程可能會比預期的更早發生，” 杜說，他也是 Escudero Albenza 論文的作者。
因此，觀察 CMB 可能如何被改變——由於軸子星的額外抑制，其訊號比預期的小多少——可以成為測量類軸子暗物質的一種方式，儘管這種方式非常間接。
“這些論文表明，即使是非常簡單的理論也可能導致非常複雜的行為，而複雜的行為實際上可能非常重要，即使這是一種罕見的現象，” 加州大學歐文分校研究暗物質模型的理論家 Tim Tait 說，他沒有參與這兩篇論文。他說，這兩者都是獨特的，因為作者並沒有構建一種新穎的暗物質模型，也沒有為軸子故事引入任何全新的東西。相反，他們只是對當前的軸子暗物質理論及其預測的現象進行了非常仔細的分析，從而對這些幾乎不可能輕如鴻毛且迄今為止仍是假想的粒子如何共同作用以深刻地塑造整個宇宙產生了新的見解。