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反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

(2019-12-27 12:13:52)
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杂谈

娱乐

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

资深撰稿人 Ethan Siegel 

资深撰稿人 Starts With A Bang小组

Dec 26, 2019, 02:00am

Science

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

从一声爆炸开始

宇宙就在那里,等待着你去发现它。

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

美国宇航局的费米卫星已经构建了从来最高分辨率的、最高能的宇宙映射。没有这样的天基天文台,我们会永远不能了解所有我们有的关于宇宙的,我们甚至不能准确的测量这个伽马射线天空。NASA/DOE/FERMI LAT COLLABORATION

你远望宇宙时,你看到的只是实际在那里的东西的一小部分。如果你仅仅用你的眼睛察觉的东西检查宇宙你就会错过整个存在在我们看不见的光波长中的大量信息。从能量最高的伽马射线最低能量的无线电波,电磁波谱是巨大的可见光只代表在那里的一小片。

     然而,有一整套来测量宇宙的不同方法:来收集实际的粒子和反粒子,一种被称为宇宙射线天文学的科学。十多年来,天文学家们一直看到一个宇宙射线正电子的信号------电子的反物质对应物------他们已经挣扎了来解释的。这能是人类的朝着解决暗物质之谜的最佳线索吗?一项新的研究说不它可能只是脉冲星。这里是为什么。

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

由高能天体物理学源产生的宇宙射线能到达太阳系的任何天体并似乎全方位渗透到我们当地的空间区域。当它们与地球碰撞时,它们撞击大气层中的原子,创造在表面的粒子和辐射淋浴,而在大气层上方太空中的直接探测器能直接测量原始的粒子。ASPERA COLLABORATION / ASTROPARTICLE ERANET

宇宙中有许多已知来创造正电子的东西电子的反物质对应物。每当你有一个在两个粒子之间发生足够高的能量碰撞时就会有一定量的将有潜力来创造新的粒子-反粒子对的能量。如果那个可用能量大于你要创造的新粒子的等效质量(由爱因斯坦的 E = mc2 定义),一个有限的生成这些新粒子的概率。

各种能导致这种类型的能量变得可用的高能过程,包括被黑洞加速的粒子,高能质子与星系盘碰撞粒子在中子星附近加速。根据已知的宇宙物理学和天体物理学,我们知道无论任何新的物理学怎样一定量的正电子一定被产生。

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

两个高能特征气泡是可能由星系中心的进程提供动力电子/正电子湮灭正在发生的证据。在地球上,更多的正电子能被传统物理学通过直接的宇宙射线实验解释,这就提出暗物质可能是导致这种过剩和星系中心伽马射线的原因的一种令人振奋的可能性。 NASA'S GODDARD SPACE FLIGHT CENTER

然而,我们也期望在那里有一些新的物理学,因为暗物质的压倒的天体物理学证据。然直到直接探测到负责的暗物质粒子(或至少是其中一个粒子)暗物质的真实性质仍将是一个谜,但许多暗物质存在在那里的场景不仅是暗物质是它自己的反粒子,而且暗物质湮灭也产生电子正电子对。

每当你对什么可能造成一个可观察到的现象有多个可能的物理解释时,来告诉哪个与现实相匹配的关键是挑出解释之间的差异。特别是,由于暗物质正电子应该在特定能量(对应于暗物质粒子的质量)体验一个截止的正电子,而传统天体物理学产生的正电子应逐渐消失掉的。

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

在前景中可见的 AMS-02 国际空间站外部视图。AMS-02实验是被安装于2011年,迄今为止已经提供了任何的实验的宇宙射线类型和能量的最佳测量。 NASA

2011年,阿尔法磁谱仪实验(AMS-02)被发射旨在进一步调查这一谜团。在搭乘"奋进"号航天飞机最后一次使命抵达国际空间站后,它被迅速启动并在3天内开始将数据传回地球。在它的运行阶段,它每年收集了和测量了100多亿个宇宙射线粒子。

关于AMS-02的最显著的它不仅测量宇宙射线粒子,而且能够按类型和能量对它们进行分类为我们提供了一组前所未有的来评估正电子是否由暗物质出现的数据。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,某些另外的东西显然在起作用。

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

如果 AMS-02 实验没有体验到了任何故障或需要任何维修,它会已经收集了足够的数据来区分脉冲星(蓝色)之间或湮灭的暗物质(红色)为过剩的正电子的来源。无论哪种方式,宇宙射线与星际介质的碰撞只能解释低能特征,需要另一个来看解释高能特征。AMS COLLABORATION

然而,无论如何这绝不是暗物质的扣篮。更高的能量下脉冲星通过一个它们的引力和电磁力的结合将物质粒子加速到令人难以置信的能量也是可能的,可以在高能量产生一个峰值的正电子过剩。

尽管 AMS-02 看到有一个峰值然后在观测的正电子的能量中的逐渐消失它的灵敏度和刚好这种能量类型的事件速率逐渐消失掉证据(在 4-西格玛,或 99.99% 置信度),但使我们能够来区分一个源自脉冲星的正电子信号对一个产生于暗物质的正电子信号之间的差别成为可能。由于太空行走目前正在进行来试图修复AMS-02将它带回重新上线继续观测它最终可能靠它自己收集足够的数据辨别是否脉冲星或暗物质提供最拟合这些数据的。

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

和所有脉冲星一样,维拉脉冲星是一个中子星尸体的例子。它周围气体和物质是相当常见的,能够为这些中子星的脉冲行为提供燃料。物质反物质对以及高能粒子被中子星大量产生,提供了它们而不是暗物质对AMS-02观测到的多余信号负责的可能性。NASA/CXC/PSU/G.PAVLOV ET AL

然而,有不止一种方法来区分开这两种场景,因为由脉冲星产生的正电子也应产生一个额外的远远超出AMS-02可以探测到的信号任何宇宙射线实验可以探测到的的测量值:伽马射线。

如果脉冲星真的产生宇宙射线实验所见到的信号可能负责正电子,那么正电子中相当一部分将在它们到达我们的宇宙射线探测器之前很久会不幸的与星际介质中的电子相撞当正电子与电子碰撞时它们湮灭每个反应产生两个有一个非常特殊的能量特征511 keV能量的伽马射线相当于一个电子(或正电子)质量的静止能量,也从爱因斯坦的E= mc2获得。

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

从纯能量产生物质/反物质对(左)是一个完全可逆的反应(右),物质/反物质湮灭回纯能量。当一个光子被创造然后被毁灭时它同时体验这些事件,同时毕竟不能体验任何另外的。如果你在动量中心(或质量中心)中操作静止框架,粒子/反粒子对(包括两个光子)将彼此以 180 度角嗖的飞掉,其能量等于由爱因斯坦的 E = mc 2 定义的每个粒子的静止质量等效物。DMITRI POGOSYAN / UNIVERSITY OF ALBERTA

然而,从理论上讲脉冲星应该能够将这些电子和正电子加速到超常的高能量:甚至世界上最强大的地面粒子加速器大型强子对撞机也难以达到这些能量当光子------甚至是正常能量的星光-----与这些超相对论(接近光速)粒子相互作用时,它们能通过一种称为逆康普顿散射的过程提升到超常的能量。

根据像脉冲星、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量等一样特性的物理参数一个特定的能量谱将被由这个过程产生的光子创建将它们全部总结在附近的相关脉冲星,而你的伽马射线特征可能表明脉冲星不是暗物质造成这个正电子过剩。

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

以接近光速旅行的粒子能与星光相互作用并将增强它的伽马射线能量。NASA / GSFC

大约800光年远,以天文标准难以置信的接近整个天空中最亮的伽马射线脉冲星之一杰明加能被发现它直到1972才被发现,1991年当ROSAT使命测量了一颗以每秒4.2圈的速度旋转的中子星证据它的性质被揭示出来。

快进到今天,美国宇航局的费米大面积望远镜------空间和能量分辨率巨大的改进了的------现在是世界上最复杂的伽马射线天文台。通过从宇宙射线减去与星际气体云碰撞产生的伽马射线信号来自星光与加速电子和正电子相互作用的残余信号能被揭示。

研究人员看到的是壮观的:一个依赖能量的在它最大的、跨越约20度天空的,刚好是AMS-02最敏感的能量的信号。

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

杰明加的伽马射线光晕模型显示这种发射怎样在不同能量下变化的。NASA’S GODDARD SPACE FLIGHT CENTER/M. DI MAURO

根据最近测量了来自杰明加的伽马射线费米研究的合著者菲奥伦扎·多纳托,通过利用一个反向康普顿散射与脉冲星在星际空间的运动的组合完美的拟合的模型解释这种随着费米观察逐渐更高能量减小的发光

低能粒子在它们遇到星光之前会从脉冲星飞得更远将它们的部分能量转移到星光中,并将光增强为伽马射线。这就是为什么伽马射线发射覆盖较低能量一个更大的区域的。此外,杰明加的光晕被拉长,部分原因是脉冲星在太空中的运动。

仅对来自杰明加伽马射线的测量表明这个脉冲星可能对AMS-02实验所见到的高能正电子的20%负责的。

反物质之谜可能由于脉冲星而不是暗物质

这个动画显示以脉冲星杰明加为中心的一个天空区域。第一张显示的图片。NASA/DOE/FERMI LAT COLLABORATION

每当有一个我们已经测量或观察到的不能解释的现象时,它对科学家提出一个诱人的可能性:也许有一些新的超出了目前已知的在起作用的。我们知道我们的宇宙有一些需要某种程度的新物理学的奥秘------暗物质、暗能量宇宙物质反物质不对称等,它们的最终解决方案尚未被发现。

然而,在已知已经代表已经知道的一切的被量化和说明之前,我们不能宣称为一个新发现的证据。如果考虑到脉冲星的影响,阿尔法磁谱仪协作观察到的正电子过剩可能原来是通过传统的高能天体物理学能被解释的,而不需要暗物质。就在现在,似乎脉冲星可能对100%的观察到的过剩负责的,要求科学家对一个揭示我们的宇宙难以捉摸的暗物质的直接信号回到绘图板

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天体物理学家和作者爱善西格尔从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的迁徙术超越银河在任何售书的地方都可以买到。

从一声爆炸开始撰稿人小组

 从一声爆炸开始致力于探索我们对宇宙的了解以及我们怎样知道它的,重点是物理学、天文学和宇宙告诉我们的关于宇宙本身的科学故事。由博士科学家写作并被..编辑创作

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/12/26/antimatter-mystery-likely-due-to-pulsars-not-dark-matter/#15093be8319c

 

 

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