科学家都不知道为什么越来越多的反物质撞击地球?

文章作者:bianji3 | 2017-11-28
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            反物质是正常物质的反状态。当正反物质相遇时,双方就会相互湮灭抵消,发生爆炸并产生巨大能量。

               正电子、负质子都是反粒子,它们跟通常所说的电子、质子相比较,电量相等但电性相反。科学家设想在宇宙中可能存在完全由反粒子构成的物质,也就是反物质。电子和反电子的质量相同,但有相反的电荷。质子与反质子也是这样。粒子与反粒子不仅电荷相反,其他一切可以相反的性质也都相反。

        据报道,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。

        宇宙线亦称为宇宙射线,是来自外太空的带电高能次原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。射线这个名词源自于曾被认为是电磁辐射的历史。主要的初级宇宙射线(来自深太空与大气层撞击的粒子)成分在地球上一般都是稳定的粒子,像是质子、原子核、或电子。但是,有非常少的比例是稳定的反物质粒子,像是正电子或反质子,这剩余的小部分是研究的活跃领域。

  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(PAMELA)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。

  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。

  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。

  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?”

        问题的答案是否定的。经过17个月的数据采集和细致分析,研究人员发现脉冲星只能解释一部分正电子,而实际探测到的正电子数量远远超过了估计值。他们的研究结果发表在近期的《科学》(Science)杂志上。

  研究负责人之一、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的博士后研究者周浩解释称,高能正电子可以和宇宙微波背景辐射相互作用,产生沿直线传播的伽马射线,因此探测伽马射线可以反推正电子的来源信息。

  分析结果表明,正电子扩散的速度要比预想的慢,两颗脉冲星产生的正电子并没有足够的时间到达地球,因此它们并不是正电子“过量”的主要原因。

  “过量”的正电子来自哪里?天文学家还在寻找其他更有可能的解释,其中之一是暗物质粒子的大规模衰变。这是一个相当诱人的假说。据估计,暗物质占据了宇宙质量的四分之一。如果能确定正电子与暗物质之间的联系,或许我们能最终了解暗物质的其他性质。不过,目前的探测器还未探测到暗物质,宇宙中也可能存在另一些脉冲星或其他天体正在产生朝地球而来的正电子。科学假说的验证并不容易,我们现在只能等待。

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