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神秘粒子撞击地球!它们从何而来,要到哪里去?
  • 内容来源:本站原创
  • 网站编辑:kate
  • 发布时间:2017.11.21
神秘粒子撞击地球!它们从何而来,要到哪里去?
位于墨西哥的高海拔水切伦科夫伽马射线天文台,由300个水箱组成,可以帮助天文学家研究撞击地球的反物质粒子的来源问题。
供图:JORDAN A. GOODMAN
 
撰文:Nadia Drake
 
  宇宙里似乎有一个发射机,正在向地球投掷奇怪的粒子——最新观察结果发表于11月16日的《科学》杂志,科学家们正在努力追踪幕后推手。
 
  2008年,太空仪器PAMELA在地球大气层中检测到一种过多的粒子:正电子。这些粒子是反物质的一种形式,即与正常状态相反的物质。当反物质正电子遇到它的相反粒子时,会互相湮灭抵消,并产生巨大的能量,其中通常包含科学家可以检测到的伽马射线。
 
  这种诡异的正电子为什么会过多?找出原因意义重大,因为它可以帮助科学家了解附近星系的高能现象,而这又能反过来帮助我们解决物理学中的一些未解之谜。
 
  长期以来,科学家认为这种粒子来自于附近的脉冲星,或者高速旋转的大型恒星的残骸。但一项新研究背后的团队表示,结果和最初的推测相悖:距离我们不到1000光年一对脉冲星是无辜的。
 
  研究团队指出,幕后可能另有玄机,比如可能是暗物质这种神秘物质相互作用的结果。
 
  研究作者、马克斯普朗克核物理研究所的Rubén López Coto说:“我刚接触到这项工作时,真的以为是脉冲星的缘故。但这两颗脉冲星其实无法提供足够的正电子,也就无法解释正电子过多的现象。”
 
  然而,这一观点在天文学家和物理学家之间引起了轩然大波,不少人还不准备放弃脉冲星。费米国立加速器实验室的Dan Hooper说,尽管研究团队有着准确的测量数值,但他们对数据的解释有问题。
 
  “我坚信不疑,这些脉冲星是造成正电子过多的重要原因,而且脉冲星很有可能起到了决定性影响。”
 
反物质发射机
 
  电子是地球上普通物质的基本组成部分,而正电子是电子的反物质。在地球上,我们很少会看见正电子,但在宇宙中,在死亡和垂死的恒星周围,在剧烈变化的环境中,则会成对地产生电子和正电子。有时候,这些粒子穿过空洞,在磁场的作用下,撞上什么东西。
 
  比如脉冲星,它们可谓是旋转的粒子加速器,每秒旋转700多次,搅动周围环境,让粒子相互碰撞;在脉冲星的旋转中,电子和正电子也会无法避免的相撞。
 
  如果拥有足够的速度和能量,这些正电子就可以逃离脉冲星的掌控,在宇宙间行走,有时在地球湮灭——这是目前关于正电子过多的主流解释。要不然,它们往往会撞向光子,产生伽马射线,地球上的科学家们可以轻易探测到。
 
  高海拔水切伦科夫伽马射线天文台(HAWC)带来了不一样的解释。这座天文台由300个大型水箱组成,坐落于墨西哥奥里萨巴山国家公园的两座火山之间的鞍状山上。当来自太空的高能粒子撞击水箱时,会产生微小光的的闪光,这种光既带有鲜明的特征,又指出了它们来自何方。
 
  自2015年以来,HAWC一直在收集这些粒子,并研究它们的宇宙来源。其中17个月,科学家们观察到附近两颗脉冲星向地球射出了高能射线,它们是Geminga 和 PSR B0656+14(又名Monogem)。
 
  通过对伽马射线的反追踪,HAWC团队可以计算出粒子在Geminga和Monogem周围区域的运动速度。López Coto表示,结果发现,这对脉冲星附近的正电子的速度还达不到奔向地球的速度。
 
  Coto和同事认为,这意味着脉冲星方向的星际物质特别暗,阻止了粒子快速运动。
 
  如果是这样,那么问题就来了:科学家们认为,地球上的过量正电子是Geminga和Monogem的杰作,因为它们距离近、年龄大,这个解释很合理。但如果它们被排除在外,我们就必须考虑“其他脉冲星,其他类型的宇宙加速器,比如微类星体和超新星残骸,或者暗物质粒子的湮灭或衰变。”
 
争议不断
 
  但Hooper并不准备承认失败,他一直在尝试证明脉冲星是这些麻烦的正电子的幕后推手。Hooper认为HAWC团队把原因归咎于昏暗的星际物质是不对的。此前,PAMELA和安装在国际空间站的一台仪器的观测结果也都证实,在地球附近的空间,有正电子和其他粒子快速通过。
 
  虽然研究提到了其他解释,包括超新星残骸和暗物质粒子的湮灭,但都不太合理。Hooper说,可以排除超新星残骸,原因和研究团队排除脉冲星一样。
 
  “如果真的如他们所说,这些粒子无法通过星际物质,Geminga和Monogem都在250秒差距之外,而最近的超新星至少也是那个距离,它们也会遇到同样的问题。”
 
  麻省理工学院的理论物理学家Tracy Slatyer也表示,暗物质粒子不是合理的解释。当首次观察到正电子过多现象时,科学家认为可能是暗物质粒子相互湮灭,产生了物质和反物质,而正电子则是这一过程的标志。
 
  但宇宙的大部分质量来自于暗物质,如果上述解释成立的话,这种湮灭的标志应该比比皆是,然而并非如此,Slatyer说。
 
  “我个人认为,这可能与暗物质湮灭无关。但如果有人告诉我,他坐着时间机器,从100年后来到我面前,说我的理论是错误的,我肯定会大惊失色;但不会是这样的,这不可能。”
 
  “相较之下,我更愿意相信站在那个时间机器前大惊失色的是(那些坚持暗物质湮灭说法的)他们。”
 
(译者:Sky4)
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