新理論或可闡明暗物質

神秘的物質可能遠不止我們看到的那麼簡單


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如果目前的理論被證明是正確的,那麼普通物質——所有我們能看到、聞到和觸控到的東西——僅佔宇宙的一小部分,可能只有 4%。其餘部分來自所謂的暗區:暗物質和暗能量,一種神秘而普遍存在的能量,被懷疑正在加速宇宙的膨脹。暗物質之所以得名,是因為它拒絕以我們可見的方式發射光或與光相互作用,其普遍程度幾乎是普通物質的六倍。但是,儘管它無處不在,但它通常被貼上相當乏味的標籤,有點像銀河系的累贅,只能透過其引力來顯現自身。

關於暗物質隱藏生命的新理論旨在徹底擺脫這種沉悶的形象。雖然暗物質可能與普通物質混合不多,但它可能會透過某種新的力——一種超出粒子物理學標準模型範圍的力——與其他暗物質粒子共舞。

加州理工學院的一組研究人員提出,暗物質可能擁有自己的力,類似於電磁力——自然地,由“暗光子”介導。正如在普通電磁學中一樣,這種力將在遠距離起作用,並且光子(光能的離散單元)將是無質量的。正如研究合著者,加州理工學院物理學家肖恩·卡羅爾在部落格Cosmic Variance上指出的那樣,該理論為豐富的、尚未見過的暗輻射世界,甚至暗磁場和電場打開了大門。

這樣的提議不僅僅是紙上談兵的推測。“隨著天體物理觀測和模擬的改進,我們正在對星系如何形成的模型的預測與星系實際外觀的觀測結果進行越來越精確的比較,”卡羅爾說。“而現在,存在一些細微的差異。”他補充說,這些差異可能是由於不完善的測量造成的,或者“它們可能是因為完全不相互作用的暗物質的想法不夠好,實際上存在影響星系形狀的相互作用。”

“粒子物理學家至少早就知道暗輻射的可能性,”卡羅爾說,“但他們並沒有認真對待它實際上可能會影響我們宇宙中的暗物質的想法。”(正如卡羅爾在Cosmic Variance上指出的那樣,另一篇最近的論文,由物理學家和宇宙學家,加州大學歐文分校的喬納森·馮合作撰寫,也提出了暗光子的概念,儘管是在不同的理論框架中。)

在提交給物理評論 D另一篇論文中,普林斯頓高等研究院、哈佛大學和紐約大學 (NYU) 的一組研究人員也假設了一種新的暗力,這種力的作用範圍要小得多,僅在核尺度上起作用。他們的理論首先試圖解釋來自我們銀河系中心的大量伽馬射線,這些伽馬射線是由歐洲航天局的 Integral 衛星接收到的,與電子及其反粒子正電子(帶正電的電子對應物)的湮滅相對應。

那些正電子來自哪裡是一個懸而未決的問題。“超新星產生正電子,但數量遠遠不夠,”研究合著者,哈佛大學天文學家道格拉斯·芬克拜納說。他認為,在適當的情況下,暗物質可能符合要求。事實證明,在一種新的暗力的幫助下,相互作用的粒子可以交換掉一些動能來產生正電子-電子對,芬克拜納和研究合著者,紐約大學物理學家尼爾·韋納去年提出了這個提議。但是,來自 PAMELA 儀器的新資料,該儀器探測來自俄羅斯衛星的宇宙輻射中的反物質,揭示了仍然出乎意料地大量的正電子。因此,芬克拜納和他的同事們改進了該理論以解釋 PAMELA 的結果,重新定義了暗物質粒子如何湮滅成其他粒子。另一個太空觀測站,美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠鏡(原名 GLAST)將在不久的將來透過檢查來自暗物質應該聚集區域的伽馬射線型別來提供進一步的指導。如果該小組的理論是正確的,費米的結果“真的應該與人們對其他型別暗物質的預期有所不同”,芬克拜納說。

這種模型的含義“層出不窮”,他說,並指出了黑洞的形成和星系團的加熱,作為開端。“天體物理學中存在所有這些問題,似乎你需要更多的能量,幾乎就像能量憑空出現一樣,所以我們認為這可能就是其中涉及的原因。”

這並非首次提出作用於暗區的新力。在 2007 年 1 月於西雅圖舉行的美國天文學會會議上,紐約大學物理學教授格倫尼斯·法拉爾展示了研究結果,指出存在作用於暗物質的長程力,這種力將在宇宙中產生顯著的可觀測效應。法拉爾後來得出結論,該提議所依據的數字,與子彈星系團中星系亞團的速度有關,是不準確的。

芬克拜納承認,像他們小組這樣的理論常常會失敗。但他引用已故普林斯頓大學宇宙學家大衛·威爾金森的話說,“你的大多數想法都是錯誤的,所以你應該儘快發現這一點,這樣你就可以繼續下一個想法。”無論正確的想法最終是什麼,在物理學家發現最能描述宇宙的粒子和力的複雜舞蹈中,也許暗物質畢竟不會那麼默默無聞。

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