有科学证据表明，反物质来源于脉冲星而非暗物质

当我们观察宇宙时，所看到的只是实际存在的一小部分。如果我们仅凭肉眼所见来检查宇宙，那么我们将错失大量存在于我们不可见的光波长中的信息。从能量最高的伽马射线到能量最低的无线电波，电磁频谱特别广泛，可见光仅是其中一小部分。

• 图注：NASA的费米卫星构造了有史以来分辨率最高的高能地图。 如果没有像这样的天基观测站，我们将永远无法了解有关宇宙的所有知识，甚至无法准确地测量天空中的伽玛射线。

除了用电磁频谱探测宇宙外，还有一种完全不同的方法来测量宇宙：收集实际的粒子和反粒子，这是一门被称为宇宙射线天文学的科学。十多年来，天文学家一直在努力解释宇宙射线正电子（电子的反物质对应物）的信号，解决暗物质之谜，这真能解决暗物质之谜吗？ 一项新的研究说不，这些正电子可能只来自脉冲星。这就是为什么呢？

• 图注：由高能天体物理学源产生的宇宙射线可以到达太阳系中的任何物体，并且似乎全方位地渗透到我们的局部空间中。 当它们与地球碰撞时，它们撞击大气中的原子，从而在表面形成粒子和辐射雨，而直接在大气层上方的太空中的直接探测器可以直接测量原始粒子。

宇宙中有许多东西可以创造正电子。每当两个粒子之间发生足够高的能量碰撞时，就会有一定数量的能量可用，并有可能创造新的粒子-反粒子对。如果可用能量大于您要创建的新粒子的等效质量（由爱因斯坦的 E = mc²定义），则生成这些新粒子的概率有限。

有各种各样的高能过程可以导致这种可用能量，包括被黑洞加速的粒子，与星系盘碰撞的高能质子或在中子星附近加速的粒子。基于宇宙的已知物理学和天体物理学，我们知道，无论任何新的物理特性如何，都必须生成一定量的正电子。

• 图注：两个高能特征的气泡是电子/正电子湮灭发生的证据，很可能是由星系中心的过程驱动的。在地球上，通过直接的宇宙射线实验，可以看到比传统物理学所能解释的更多的正电子，这就提出了一种令人振奋的可能性，即暗物质可能是导致这种过剩和星系中心伽马射线的原因。

然而，尽管有压倒性的天体物理学证据证明暗物质的存在，我们仍然期望那里有一些新的物理学。在直接检测到暗物质的粒子（或至少一个粒子）之前，暗物质的真实性质仍将是一个谜，但存在许多暗物质场景，其中不仅暗物质有其自身的反粒子，而且暗物质湮灭也会产生电子-正电子对。

每当我们对可能导致可观察到的现象的原因有多种可能的物理解释时，判断出哪一种与现实相匹配的关键，是弄清楚这些解释之间的差异。特别是，由于暗物质产生的正电子应在特定能量（对应于暗物质粒子的质量）处经历一个截止，而由常规天体物理学产生的正电子应逐渐下降。

• 图注：在前景中可见的 AMS-02 的 国际空间站（ISS） 外部视图。AMS-02实验仪器于2011年安装，迄今为止，它按类型和能量提供了我们对宇宙射线的最佳测量。

2011年，启动了阿 尔 法（Alpha）电磁光谱仪实验（AMS-02），目的是进一步调查这个奥秘。在“奋进号”航天飞机的最后任务到达国际空间站后，它迅速建立并开始在3天内将数据发送回地球。在运行阶段，它每年收集和测量超过一百亿颗宇宙射线粒子。

AMS-02的杰出之处在于它不仅可以测量宇宙射线粒子，而且还可以按类型和按能量对它们进行分类，从而为我们提供了前所未有的数据集，以评估正电子是否由暗物质组成。在低能量下，数据与宇宙射线与星际介质碰撞的预测相吻合，但在更高的能量下，其他东西显然在起作用。

• 图注：如果AMS-02实验没有发生任何故障或需要维修，它将收集足够的数据以区分脉冲星（蓝色）或湮灭暗物质（红色）作为过量正电子的来源。无论哪种方式，宇宙射线与星际介质的碰撞都只能解释低能信号，而对高能信号则需要另一种解释。

显然，用暗物质已经不能解释在高能下过量的反物质来源。在更高的能量下，脉冲星，通过引力和电磁力的组合，将物质粒子加速到令人难以置信的能量，在高能量下也可能产生峰值过量的正电子。

尽管 AMS-02 看到证据表明（在 4-西格玛，或 99.99% 置信度），正电子得观测能量有一个峰值，然后有一个衰减，其灵敏度和事件速率逐渐消失在使我们能够区分脉冲星产生的正电子信号与湮灭暗物质产生的正电子信号的能量类型上。由于太空行走目前正在进行，试图修复AMS-02，并将其重新联机继续观测，它最终可能收集足够的数据，以自行识别脉冲星或暗物质是否最适合这些数据。

• 图注：和所有脉冲星一样，维拉脉冲星就是中子星残骸的一个例子。周围的气体和物质很常见，能够为这些中子星的脉冲行为提供燃料。中子星大量产生物质反物质对以及高能粒子，这提供了它们（而不是暗物质）对AMS-02观测到的多余信号的可能性。

但是，有两种以上的方法可以将这两种情况区分开，因为脉冲星产生的正电子还应该产生一个额外的信号，该信号远远超出了AMS-02或任何宇宙射线实验可以检测到的测量范围：伽马射线。

如果脉冲星真正产生了可能对宇宙射线实验所看到的信号负责的正电子，那么这些正电子中的很大一部分将很不幸地与星际介质中的电子发生碰撞，很久之后它们才到达我们的宇宙射线探测器。当正电子与电子碰撞时，它们会湮灭，每个反应都会产生两束具有非常特定的能量特征的伽马射线：511 keV 的能量，也就是从爱因斯坦的E = mc²获得的电子（或正电子）质量的余能当量。

• 图注：纯能量产生物质/反物质对（左）是一种完全可逆的反应（右图），物质/反物质会湮灭变成纯能量。当光子被创建然后被破坏时，它会同时经历这些事件，而根本无法经历其他任何事情。如果在动量中心（或质量中心）静止帧中操作，粒子/反粒子对（包括两个光子）将以 180 度角彼此拉开，其能量等于爱因斯坦的 E = mc² 定义的每个粒子的静止质量等效物。

但是，脉冲星理论上应该能够将这些电子和正电子加速到非常高的能量：即使是世界上最强大的地面粒子加速器大强子对撞机也难以达到的能量。当光子（甚至是正常能量的星光）与这些超相对论（近光速）粒子相互作用时，它们可以通过称为逆康普顿散射的过程而被激发获得非凡的能量。

根据诸如脉冲星的属性，脉冲星附近的物质，产生的电子和正电子以及附近存在的星光数量之类的物理参数，将为此过程生成的光子创建特定的能谱。将它们加总为附近所有相关的脉冲星，并且伽玛射线特征可能表明脉冲星而不是暗物质会导致该正电子过量。

• 图注：以光速行进的粒子可以与星光相互作用并将其提升为伽马射线能量。该动画显示了该过程，称为逆康普顿散射。当从微波到紫外线波长范围的光与快速移动的粒子碰撞时，这种相互作用会将其增强为伽马射线，这是最有能量的光形式。

大约800光年之遥，按照天文学标准来说是非常接近的，可以发现整个天空中最明亮的伽马射线脉冲星之一：Geminga。它仅在1972年被发现，并在1991年被揭示出来，当时ROSAT任务测量了中子星以每秒4.2转的速度旋转的证据。

快进到今天，NASA的费米大面积望远镜（具有大大提高的空间和能量分辨率）现在是世界上最先进的伽马射线观测站。通过减去宇宙射线与星际气体云碰撞产生的伽马射线信号，可以揭示来自星光与加速电子和正电子相互作用的残余信号。

研究人员看到的是惊人的：一个与能量有关的信号，最大范围以AMS-02最敏感的确切能量跨越天空约20度。

• 图注：Geminga 的伽马射线光晕模型显示了发射在不同能量下的变化，这是两种效应的结果，第一种是脉冲星在十年间在太空中的快速运动，费米的大面积望远镜观测到它。其次，低能量粒子在与星光相互作用之前，会从脉冲星上走得更远，并将其增强为伽马射线能量。这就是为什么伽马射线在较低的能量发射覆盖更大的区域。

解释这种辉光会随着费米注视着越来越高的能量而减小，并通过利用康普特逆散射与脉冲星在星际空间中的运动相结合的方式来完美拟合模型。根据费米最近的一项研究的合著者菲奥伦扎·多纳托（Fiorenza Donato）的说法，该研究测量了来自Geminga的伽马射线，

“低能粒子在进入星光之前会从脉冲星传播更远，将部分能量转移到星光上，并将光增强为伽马射线。 这就是为什么伽马射线发射在较低能量下覆盖更大面积的原因。此外，由于脉冲星在太空中的运动，Geminga 的光环有所延长。”

仅来自Geminga的伽马射线的测量结果表明，这一脉冲星可能是AMS-02实验所观察到的高能正电子的20％。

• 图注：此动画显示以脉冲星 Geminga 为中心的天空区域。第一张图片显示了费米大区域望远镜在过去十年中探测到的伽马射线总数，其能量为8至1000亿电子伏特（GeV）——可见光能量的数十亿倍。通过移除所有明亮的光源，天文学家发现了脉冲星微弱的、延伸的伽马射线光环，并得出结论，这一脉冲星可能负责AMS-02实验探测到的20%的正电子。

每当我们测量或观察到无法解释的现象时，它就会给科学家带来诱人的可能性：也许有一些新事物正在发挥作用，超出了目前已知的范围。我们知道，关于宇宙的奥秘需要某种程度的新物理学，例如暗物质，暗能量或宇宙物质-反物质不对称性之类的奥秘，但其终极解决方案尚未发现。

但是，在量化和解释代表已知事物的所有事物之前，我们无法为新发现提供证据。通过考虑脉冲星的影响，由阿尔法（Alpha）电磁光谱仪合作观察到的正电子过量，完全可以由常规的高能天体物理学解释，而无需暗物质。目前看来，脉冲星可能是所观测到的过量反物质产生原因，这要求科学家回到绘图板上获取直接信号，以揭示我们宇宙难以捉摸的暗物质。