揭開暗物質的本質的探索是當今科學界最大的挑戰之一，但是最終了解這種神秘物質的關鍵很可能在於星星，或者準確地說，是一種特殊類型的恆星–中子星。到目前為止，科學家們已經能夠推斷出暗物質的存在，但不能直接觀察到它。在地球上的實驗中實際探測暗物質粒子是一項艱巨的任務，因為暗物質粒子與常規物質的相互作用極為罕見。
中子星的密度足以捕獲暗物質，圖為太空中旋轉的中子星的動畫。
為了搜索這些令人難以置信的罕見信號，我們需要一個非常大的探測器–也許大到在地球上建造一個足夠大的探測器是不現實的。然而，《自然》雜誌以中子星的形式提供了另一種選擇–整個中子星可以充當終極暗物質探測器。
在發表於《物理評論快報》的研究中，我們已經確定了如何更準確地使用從這些獨特的天然暗物質探測器中獲得的信息。
中子星是已知存在的最密集的恆星，當巨型恆星在超新星爆炸中死亡時形成。留下的是一個塌陷的核心，在這個核心中，重力將物質緊緊地壓在一起，質子和電子結合成了中子。中子星的質量與太陽相當–被壓縮到10公里的半徑內–一茶匙的中子星物質的質量約為10億噸，這就是中子星。這些恆星是”宇宙實驗室”，使我們能夠研究暗物質在地球上無法複製的極端條件下是如何表現的。
暗物質只與普通物質發生非常微弱的相互作用。例如，它可以穿過一光年的鉛（約10萬億公里）而不被阻止。然而，令人難以置信的是，中子星的密度很大，它們可能能夠捕獲所有通過它們的暗物質粒子。
雖然暗物質的存在已經被推斷出來，但它還沒有被直接觀察到
從理論上講，暗物質粒子會與恆星中的中子發生碰撞，失去能量，並被引力困住。隨着時間的推移，暗物質粒子將積聚在恆星的核心。預計這將使古老、寒冷的中子星升溫，達到未來觀測所能達到的水平。在極端情況下，暗物質的積累可能會引發恆星坍縮成一個黑洞。
這意味着中子星可能允許我們探測某些類型的暗物質，這些暗物質在地球上的實驗中很難或不可能觀察到。
在地球上，暗物質實驗尋找微小的核反衝信號，這些信號是由緩慢移動的暗物質粒子的難以置信的罕見碰撞造成的。相比之下，中子星的強大引力場將暗物質加速到准相對論的速度，帶來能量高得多的碰撞。基於地球的探測的另一個問題是，核反衝實驗對與原子核質量相似的暗物質粒子最為敏感，因此更難探測到可能更輕或更重的暗物質。然而，理論上暗物質粒子可以被困在恆星和行星中，數量相當大，不管它們有多輕或多重。利用中子星探測暗物質的一個關鍵挑戰是確保科學家使用的計算方法，充分考慮到恆星的獨特環境。儘管對中子星中暗物質的捕獲已經研究了幾十年，但現有的計算方法卻忽略了重要的物理效應。
用於探測中子星中暗物質的計算需要充分考慮到該星的獨特環境。研究人員着手對暗物質捕獲率–即暗物質在中子星中積累的速度的計算進行了關鍵的改進，這大大改變了答案。
新的研究工作考慮了核子結構，而不是把中子當作點狀粒子，並且包括了核子之間的強力影響，而不是把中子當作自由粒子氣體來建模。並納入了恆星的組成、相對論效應、量子統計和引力聚焦。展示了如何正確思考極端中子星環境下的暗物質碰撞，這與地球上的暗物質探測器有很大不同。
這項新的研究大大提高了我們對暗物質捕獲率估計的準確性和穩健性。這為更好地確定暗物質與普通物質相互作用的強度鋪平了道路。最終，恆星中暗物質積累的證據（或缺乏證據）將提供有價值的線索，說明在地球上的實驗努力的目標是什麼，幫助揭開暗物質的神秘面紗。