轴子,暗物质和中子星:如何找到世界上最神秘的物质

简介:天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)首先提出了暗物质的存在,以解释星系自转的异常特征,以及星系在星团中时的行为。然而我们仍未弄明白它是什么。

目前最令人着迷的天文物理学问题很简单:究竟什么是暗物质?

我们知道暗物质存在,也知道它在世界的每一个角落。我们知道它会,和不会做的一些事情……但有些尴尬地说,我们不知道它是什么。

天文物理学家们有一些猜想,而正在对其进行测验。在一项近日的报道中,天文学家称他们将注意力集中在某一种独特味道的暗物质上——轻重量轴子,但他们并没有观测到任何轻重量轴子。很不幸,因为这些奇异的次原子粒子很有可能组成了暗物质。但这并不能完全排除轴子是暗物质的猜想,或许还会激发新的测试。

轴子,暗物质和中子星:如何找到世界上最神秘的物质

天文学家维拉·鲁斌是第一个真正提出暗物质存在的人,她以此来试图解释旋转星系的无规律特征,与星系聚团时的样子。所有这些天体似乎在它的质量之外获得了“额外的”引力,但如果暗物质——一些不反射光线,我们从而无法观测到的物质——存在,并包围着这些星系,它要比“正常”物质(例如质子,电子)重上五到六倍。

科学家们提出了很多关于暗物质的猜想,但这些猜想的内容都可以用非暗物质理论来解释。近十年来,这些猜想被逐渐否认,剩下的只有较极端的几个,例如“非常小的黑洞”(作者:可能性很小,但非常有趣),或者什么我们仍未发现的次原子粒子。

量子物理学家对量子宇宙的行为还有很多理论上的问题,所以他们提出了一种可以解释这些问题的粒子,这种粒子质量极小,不与正常物质发生反应,不发光,并散布在全宇宙之间。这种粒子是暗物质的最佳候选人。

轴子,暗物质和中子星:如何找到世界上最神秘的物质

天文学家们将这种粒子命名为轴子,这个名字来自于洁新洗洁精。

但我们该如何观测不发光的东西呢?经过研究,天文学家们发现在特殊的场合下,暗物质可以发光。在强磁场之下,暗物质应会转变为能量(还记得E=mc2吗?那意味着物质与能量是同一颗硬币的两面,并可以互相转换。)我们认为轴子的质量极小,他们所转换出的能量应该在无线电波区域。

轴子,暗物质和中子星:如何找到世界上最神秘的物质

中子星是恒星超星星爆炸后,剩下已坍缩的内核。中子星有着非常强的磁场,可以达到地球的几万亿倍,甚至更强。我们可以将无线电望远镜对准它们,如果轴子衰变成无线电波,我们也许会在这里观测到。

天文学家正在进行以上的观测。运用100米长的格林班克望远镜和射电望远镜,天文学家们对两颗中子星,以及银河系的中心(几千颗中子星聚集在那里)进行了观测。他们还对邻近的仙女星系有所涉猎,在这个角度,科学家们将可以观测到更多中子星。另一个参与此次研究的天体是球状星团M54,距地球较近,约有几十万颗恒星,所以在它的核心也会有许多中子星。

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上图:格林班克是一架100米长的巨型望远镜,它位于西弗吉尼亚,并拥有全范围可操控的无线电波盘,从宇宙的各个角落接收无线电波长的电磁波。

科学家们所找的是几个特定波长的无线电光波,这些特定的波长与轴子的质量有着直接的关联。虽然我们不知道轴子的准确质量,我们可以将范围缩小。所以天文学家们试图寻找这些特定的波长……但什么也没找到。

这有些让人失望,但并不是我们应当抛弃轴子理论的原因,并不是所有轴子所释放的能量都能被一一排查,科学家们只能观测大约一半的波长,而无线电天文望远镜并不能截取到稍重一些的轴子所释放出的电磁波。我们将在未来继续探索轴子,并计划将所有波长都一一排查。

在宇宙初期,暗物质形成了一张大网,如下图中的电脑模拟成像。星系则沿着网络形成

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(图片来源:千年鼓舞计划)

也许中子星周围并没有足够的轴子来形成电磁波,以至于任何无线电信号都过于微弱。又或许有其他外力导致轴子电磁波无法被探测到。我们也不能排除轴子并不发射无线电波的可能,甚至轴子并不是我们要找的暗物质。也许暗物质是大质量弱相互作用粒子(简称WIMP)。

但结合最近在粒子探索和天文望远镜上的科技进步,我相信我们不久就会对暗物质取得一个更好的理解。

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所以尽管最新的结果令人失望,我仍对暗物质的探索充满希望。

宇宙之大令人不可想象,几百兆公里宽!(而且这只是我们看得到的部分,宇宙继续延伸到更远处,也许它并没有尽头)。就连百万的五次方米才在宇宙中算是较长。

为了理解宇宙,我们需要研究那些极小与极大的物质,两者缺一不可。而我们人类,既不是极小的,又不是极大的,正好适合做这样的工作。

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BY: Phil Plait

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