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越来越多的反物质在撞击地球,科学家也被难住

时间:2019-12-05 23:13来源:中国史
一个让物理学家困惑近10年的问题是,那些经过地球上空的正电子数量超出人们预期,这些“过量”正电子来自哪里?美国最新一期《科学》杂志发表的一项研究显示,这种所谓“正电

一个让物理学家困惑近10年的问题是,那些经过地球上空的正电子数量超出人们预期,这些“过量”正电子来自哪里?美国最新一期《科学》杂志发表的一项研究显示,这种所谓“正电子超出”现象可能源于暗物质。

北京时间11月28日消息,据国外媒体报道,正电子是一种反物质粒子,指质量、带电量和电子完全相同,但带正电荷的粒子。当正电子遇到电子时,会与之发生湮灭,转变为光子。此前有观测发现,宇宙中的正电子撞击地球的频率要比原先预计的高得多。正电子出现在高速冲向地球的宇宙射线中,最初科学家认为脉冲星是造成这一现象的原因,但一项新研究指出,情况可能并非如此。

正电子是电子的反粒子,是一种反物质。2008年,欧洲“帕梅拉”卫星第一次在太空捕捉到“过量”正电子。自那以来,理论物理学家们提出多种理论试图解释“过量”正电子来源。目前有两种主流理论,一是来自脉冲星等天体物理源,二是源于暗物质粒子的衰变和湮灭。人类探测器迄今尚未探测到暗物质,第二种说法因此备受关注。

宇宙射线由能量极高的粒子组成,因此能以极快的速度撞向地球。正电子在这些粒子中只占了很小的一部分,它们从何而来?如何产生?我们还无法确切得知。更令人困惑的是,在2008年,位于地球轨道的帕梅拉卫星探测到了数量超乎寻常的高能正电子。对于这一异常现象,天文学家提出了两种假说:一是来自脉冲星等天体物理源;而是来自暗物质粒子的衰变。

在已知脉冲星中,有少数几个因距地球较近、年龄适中,被认为有可能是正电子超出的主要来源。为此,多个研究机构的科学家利用位于墨西哥的高海拔水切伦科夫伽马射线天文台观测其中两颗较符合理论假设的脉冲星。

一个国际研究团队对墨西哥HAWC(High-Altitude Water Cherenkov)伽马射线天文台的观测数据进行了分析,以验证这些过量正电子是否来自脉冲星等天体。脉冲星是一种中子星,能利用超强的磁场将带电粒子以强射束的形式抛出。当脉冲星自转时,会导致射束旋转摆动,从地球上看就呈现出一系列稳定、快速的脉冲——这也是“脉冲星”这个名字的由来。

研究负责人之一、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室博士后研究员周浩解释说,正电子是带电粒子,由于遥远天体物理源发出的正电子在传播过程中会改变方向,所以科学家没办法回溯源的方向。但高能正电子可与宇宙微波背景辐射作用而产生伽马射线,伽马射线沿直线传播,所以观测伽马射线能反推产生它们的正电子信息。

当脉冲星的射束击中周围的尘埃和气体时,就如同进入了一台巨大的粒子加速器。在粒子相互碰撞的过程中,从能量中产生了新的物质,比如正电子;而在碰撞的冲击波下,正电子会以极快的速度向外扩散。当然,这一切都只是理论上的推测。

通过观测来自这两颗脉冲星的伽马射线,研究人员反推出在这两个源中产生正电子的量和正电子扩散的速度。“我们发现正电子扩散的速度比预想的慢,这两颗脉冲星产生的正电子并没有足够的时间到达地球,所以排除了这两颗脉冲星作为正电子超出的主要源的可能。”周浩说。

因此,当HAWC天文台近期探测到两颗位于数百万光年之外的脉冲星时,天文学家似乎很有机会对以上假说进行验证。“HAWC天文台的探测器记录了一定数量的电子发出的伽马射线,这些电子产生于脉冲星,并被脉冲星加速到极其高能的状态,”波兰科学院的物理学家弗朗西斯科(Francisco Salesa Greus)说,“基本的问题是:这些电子的相互作用是否足够,使它们能接下来产生相应数量的正电子?

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