探索暗物质如何改变电子俘获超新星及中子星的诞生过程

电子俘获超新星（ECSNe）是一种恒星爆炸现象，发生在初始质量约为太阳8 – 10倍的恒星中。这些恒星会形成氧 – 氖 – 镁核心，当氖和镁原子核俘获电子时，核心就会变得不稳定。

由此导致的电子压力损失会触发核心坍缩，进而引发超新星爆发并形成中子星，即一种主要由中子构成的极其致密的恒星。

意大利国家核物理研究所比萨分部（INFN – Pisa）和比萨大学的研究人员最近开展了一项研究，旨在进一步探究一种假设的暗物质类型——不对称暗物质（ADM），如何影响电子俘获超新星前身星核心的坍缩以及随后中子星的形成。

他们发表在《高能天体物理学杂志》上的论文，首次提出了一个自洽的恒星结构模型，阐述了不对称暗物质对这一天体物理过程可能的贡献。

“我开展这项研究的灵感，来自我大约一年多前偶然看到的平松等人2021年发表的一项有趣研究。”该论文的合著者伊尼亚齐奥·邦巴奇（Ignazio Bombaci）告诉《物理组织》（Phys.org）。

“在他们的研究中，作者表明超新星2018zd（SN2018zd）是电子俘获超新星的首个令人信服的观测证据，电子俘获超新星是20世纪80年代初由日本天体物理学家野本宪一（Ken’ichi Nomoto）及其合作者提出的一种新型恒星爆炸。”

在邦巴奇偶然看到平松及其同事2021年的论文之前，他正在指导多梅尼科·斯科尔迪诺（Domenico Scordino）的工作，斯科尔迪诺当时正在比萨大学攻读物理学硕士学位。他和他的学生一直在研究费米子不对称暗物质对中子星结构特性的可能影响。

邦巴奇说：“读完这篇论文后，我立刻意识到，在电子俘获超新星前身星的简并氧、氖和镁（¹⁶O、²⁰Ne、²⁴Mg）核心中，费米子暗物质的存在可能会强烈影响电子俘获超新星过程，特别是关于简并恒星核心的临界质量值，超过这个值，²⁰Ne和²⁴Mg原子核就会发生电子俘获。”

“最重要的是，我看到了形成质量远低于一个太阳质量的中子星的可能性，也就是说，低于目前测量到的与脉冲星PSR J0453 + 1559相关的中子星的最小质量（M = 1.174太阳质量）。”

研究人员这项研究的主要目标是探索暗物质对电子俘获超新星前身星核心坍缩、随后的爆炸以及中子星诞生的影响。在他们的分析中，他们将普通物质和暗物质视为两种相互渗透的流体，仅通过引力效应相互作用。

“为此，我们使用了广义相对论双流体形式，它扩展了标准的致密星结构方程，以描述两种流体成分在共享引力场中共存的平衡构型。”该论文的合著者斯科尔迪诺解释道。

“对于普通物质，我们使用包含电子俘获物理过程的状态方程（EOS）来模拟富含氖的白矮星（电子俘获超新星的典型前身星）。对于暗物质，我们假设它的行为类似于一种冷的、理想的、简并的费米气体，而对于中子星内部的普通物质，我们使用基于量子多体方法的微观状态方程来建模。”

邦巴奇、斯科尔迪诺及其同事维沙尔·帕尔马尔随后通过数值求解恒星结构方程，研究了不同的暗物质粒子质量和比例。这使他们能够预测暗物质的存在将如何改变电子俘获超新星前身星类似白矮星核心的密度分布，并影响其坍缩发生的阈值质量。

斯科尔迪诺说：“这种方法使我们能够将前身白矮星直接映射到它们的中子星残骸，并量化暗物质如何降低爆炸能量并产生异常低质量的中子星。”

“最终，我们表明暗物质可以使类似白矮星的核心在较低的引力质量下坍缩，导致爆炸强度减弱，并产生异常低质量的中子星。”

这项最新研究引入了第一个基于恒星结构的模型，概述了不对称暗物质在白矮星坍缩、电子俘获超新星能量学以及随后中子星出现过程中的作用。这个模型既可以为专注于电子俘获超新星过程的天体物理学研究提供参考，也可能为未来的暗物质搜索提供信息。

该论文的合著者帕尔马尔说：“通过将普通物质和暗物质视为仅通过引力相互作用的两种流体，我们表明，即使是少量的暗物质也能够将白矮星核心压缩到足以在比之前认为的更低质量下触发坍缩。”

“这为形成质量远低于传统模型预测标准质量范围的异常轻的中子星开辟了一条新途径。”

总体而言，该团队的模型表明，极低能量的超新星或意外轻的中子星可能是暗物质在恒星内部起作用的间接标志。后续研究可以进一步探索这种可能性及其对暗物质搜索的潜在影响。

帕尔马尔说：“更广泛地说，我们的研究强调，传统上仅从核物理和粒子物理学角度研究的恒星爆炸，也可以作为探测暗物质性质的天然实验室，为我们提供了一个新的天体物理窗口，来探索物理学中最大的谜团之一。”

邦巴奇、斯科尔迪诺和帕尔马尔目前正在基于他们最近的研究成果，努力改进他们的恒星模型。例如，他们计划纳入更现实的白矮星成分，并考虑更广泛的暗物质性质。

作者补充说：“我们还想研究不同数量的暗物质如何留下可观测的特征，比如异常暗淡的超新星或非常轻的中子星，并将这些预测与当前和未来的观测结果进行比较。”

“从长远来看，我们希望将我们的理论工作与多信使天文学更紧密地联系起来，利用来自望远镜和引力波探测器的数据来测试暗物质是否真的在塑造恒星的生死。同时，我们旨在研究源自电子俘获超新星的低质量中子星，是否能为中等密度下的中子星状态方程提供新的限制。”