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暗物质是天体物理学中的“异形”吗?

2020-02-14

【博科园-科学科普】如果本文能为你带来你未曾了解知道信息或知识,故“博科园”觉得还是有用的。那么在评论区留个言点个赞,并关注一下吧 (*°∀°)=3

在其广阔的视野范围内,脉冲星Geminga和PSR B0656+ 14是伽玛射线的广泛信标,它的角范围比地球的月球大得多(这是按比例显示的)。图片:HAWC collaboration

尽管我们已经知道了不少物理定律,及标准模型和广义相对论的成功,但在宇宙中仍有大量的观察结果仍然缺乏完整的解释。从恒星形成到高能宇宙射线,宇宙仍然有许多奥秘待解开。虽然已经发现了很多关于空间的东西,但我们仍然不知道这一切。例如:知道暗物质存在,但我们不知道它的性质是什么,这是否意味着可以将任何未知的影响归因于暗物质?

有很多事情想知道...暗物质,除了引力之外,它不与物质相互作用。所以就像关于黑洞的旧难题 ,怎么找到它?它可以通过引力透镜以外的其他手段检测(至少有些)是否有湮灭过程?类似于正电子/电子[湮灭]?

这里有很多谜团,也有很多关于暗物质的证据。但将其他谜团归咎于暗物质不仅是目光短浅的,而且是一个很好的例子,展示了当科学家用完好想法时发生的事情。

两个明亮的星系位于星团中心,NGC 4889(左)和稍小一点的NGC 4874(右),每一个都超过100万光年。但是外围的星系,快速地围绕着,指向整个星团中存在着一个巨大的暗物质光晕。图片版权:Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona

暗物质遍布整个宇宙,20世纪30年代首次提出解释星系团内个别星系的快速运动,是因为认识到所有正常物质——由质子、中子和电子组成的物质——不足以解释重力的总量。这包括恒星、行星、气体、尘埃、星际和星系间的等离子体、黑洞和其他我们可以测量的东西,支持暗物质的证据是不计其数的。

宇宙网是由暗物质驱动的,其规模最大的结构是由膨胀率和暗能量所决定的。沿丝的小结构是由正常的、电磁相互作用的物质的坍塌形成的。图片版权:Ralf Kaehler, Oliver Hahn and Tom Abel (KIPAC)

它们并不仅仅包括星团内的星系,当然,每个包含星系的星团都有这个需要。暗物质是必要的:

1、单个星系的旋转特性

2、星系的形成有许多不同的大小,从巨大的椭圆星系到银河系大小的星系再到我们周围的小星系

3、星系之间的相互作用

4、星系和星系团在大尺度上的聚类性质

5、宇宙网,包括它的丝状结构

6、宇宙微波背景下的波动谱

7、观测到的引力透镜效应

8、观测到重力效应与普通物质在碰撞星系团中的分离

从单个星系的小尺度到整个宇宙,暗物质是必要的。

x射线(粉色)和各种碰撞星系团的整体物质(蓝色)图显示了正常物质和引力效应之间的明显分离,这是暗物质最有力的证据。现在,另类理论需要如此精心设计,以至于许多人认为它们相当荒谬。图片版权:X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Optical/Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) and R. Massey (Durham University, UK)

把所有这些与宇宙学的其他部分联系起来,使我们相信,包括我们自己在内的每个星系都包含着一个巨大的、弥漫的暗物质晕环绕着。我们星系中的恒星、气体和尘埃,主要存在于一个圆盘上,而暗物质光晕被认为是球形的,因为压倒性的证据是与正常(原子)物质不同的是:暗物质不会在把它撞击到自己或正常物质的时候“溅起”。此外,暗物质应该在银河系中心周围密度最大,随着它的消失,密度会降低,并且可能延伸到星系本身的十倍远。最后在每个光晕中都应该存在小块的暗物质。

根据模型和模拟,所有星系都应该嵌入暗物质晕,其密度在银河系中心达到顶峰。然而,除非暗物质服从非常特殊的模型并且表现出特定的性质,否则将很难解释伽玛射线或正电子物质与暗物质的过剩。图片版权:美国宇航局,欧空局和T.布朗和J. Tumlinson(STScI)

为了重现上面列出的全部观察结果以及其他的观察结果,暗物质不需要具有除以下之外的任何特性:它需要具有质量;它需要引力相互作用;它需要从很早的时候开始相对于光速慢慢地移动; 而且不需要通过其他任何力进行过多的相互作用,其他任何“互动”都受到严重限制,但不排除。

那么为什么每次有一个正常的粒子 、光子、正电子、反质子等的天体物理学观察,人们的第一本能就是归咎于暗物质?

当你不知道如何理解观察时,用暗物质来观察一个非引力的观察,就等同于抓着了稻草。图片:Google新闻截图

本周早些时候,一个研究脉冲星周围的伽玛射线源的团队在科学界发表了他们的成果 ,试图更好地理解我们观察到的多余正电子来自哪里。电子的反物质正电子是以各种方式自然产生的:通过将正常物质的粒子加速到足够高的能量,当它们碰撞其他物质粒子时,它们可以通过爱因斯坦的E = mc^2产生电子 - 正电子对 。在粒子物理实验中常规地创建这些配对,也可以直接在宇宙射线搜索中间接地看到天体物理学正电子创造的证据,并通过寻找电子 - 正电子再湮灭的指示能量信号来间接地看到这些证据。

低能量的正电子/电子湮灭的特征信号,511keV的光子线已经被欧空局的INTEGRAL卫星彻底测量。图片版权:J.Knödlseder(CESR)和SPI团队; 欧空局的INTEGRAL观测台

这些天体物理学的正电子信号在银河系中心附近,集中在像微型类星体和脉冲星这样的点源上,它位于我们银河系的一个神秘区域,被称为“伟大的歼灭者”,它被看作是一个扩散背景的一部分,它的起源是未知的。

但有一件事是肯定的:我们看到的正电子比预期的要多,已经知道这个很多年了;帕梅拉测量了它,费米测量了它,在国际空间站上的阿尔法磁谱仪也测量了它。最近高海拔的切伦科夫天文台(HAWC)测量了非常高的能量,tev - level伽马射线,显示了来自中年脉冲星周围的极加速粒子。但不幸的是,这不足以解释需要的正电子过多的问题。

在更高的能量中,正电子的过剩是很难解释的,但是由于HAWC的存在,光谱中缺少更高能量的截止频率(点)就是证明这个特征的暗物质来源。图片版权:M. Aguilar et al. for the AMS collaboration, PRL 110, 141102 (2013)

但由于某些原因,每次测量正电子的超量,或者对一个无法解释它的天体物理源的每一个观测,这个叙述就会立即变成:我们无法解释它,所以它是由暗物质引起的。这太糟糕了,因为有很多候选天体物理源不需要任何奇异的东西,包括:

1、其他粒子的正电子和伽马射线的二次产生

2、微类星体或黑洞喷出物

3、非常年轻或非常古老的脉冲星,包括磁星

4、超新星残骸

这个列表并不是详尽无遗的,但仅仅是一些可能造成这种过剩的例子。

超新星遗迹不仅将爆炸中产生的重元素抛射在宇宙中,而且这些元素的存在也可以从地球上探测到。图片版权:美国宇航局/钱德拉X射线天文台

许多在该领域工作的人都喜欢暗物质,这很大程度上是因为如果暗物质湮灭并产生伽玛射线和普通物质粒子,那将是革命性的和开创性的。这将是天体物理学家研究并揭开暗物质之谜的梦想。但是一厢情愿的想法从来没有成为事实,据我们所知:暗物质湮灭的横截面与零仍然是不可区分的。尽管暗物质总是被强调为解释正电子过剩的可能性,但它并不比外星人更有可能解释Tabby恒星。

将一颗恒星完全笼罩在光能收集材料中的想法被称为“戴森球体”。在建造过程中,它可以阻挡越来越多的恒星发出的光。这一不太可能的解释是,Tabby恒星与“正子”场景的“暗物质”类似。

毫无疑问,还有其它的正电子来源。然而,正电子并不远离它们的来源,附近也没有很多来源。两个最好的候选被HAWC检测到,我们现在知道产生的正电子的数量。也知道这些正电子是如何从它们的来源扩散的,其速度比先前假定的要慢。因此当确认附近的正电子源时,所发现正电子离开原点的速度非常慢,因此并没有在地球上制造正电子。

当排除了一种可能性,那就更有可能发生其他可能性。然而,这并不意味着正电子必须来自暗物质,也并不是暗示这一点。

来自HAWC观测的隐含的正电子超标信息,只有极少数必要的正电子可以来自附近的中年脉冲星观察到的来源。图片版权:A.U. Abeysekara et al., Science Vol 358, Issue 6365 17 November 2017

很明显,由HAWC数据所暗示的正电子只解释了其他实验中所观察到的正电子的1%,这表明还有其他原因。当你看到我们的传统思想无法解释的时候,就像是超出了天体物理学的正电子那样,那么就要保持在你的脑海之下,它可能是暗物质,展现了我们所没有的那些长期以来所追求的相互作用的性质远。但是更有可能的是,其他一些天体物理过程正在加速传统的已知粒子来产生这些效应。当你在科学上有谜团时,让你的大脑接受一场革命,但把你的赌注放在世俗上,永远不要相信这种说法!

知识:科学无国界,博科园-科学科普

参考:ESA,NASA,《science》(Extended gamma-ray sources around pulsars constrain the origin of the positron flux at Earth)等

作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

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