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看到暗物质?  

2009-03-08 23:52:34|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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(废话再说一遍:本文是《新发现》专栏文章,勿转)

正在建立中的新标准宇宙学模型告诉我们,我们熟悉的物质在宇宙中其实比想像的还要稀少,因为宇宙中能量的95%不是寻常物质,大约72%左右是暗能量,23%左右是暗物质。暗能量和暗物质共同点是暗,不发光,和通常物质的作用也很微弱。

暗物质和暗能量的研究是目前天文学界和物理学界共同课题,因为它们在宇宙尺度上影响了宇宙的历史,它们的基本性质则需要基础物理来解释。暗能量这个 概念相对年轻些,形成只有十年。暗物质这个概念就很老了,可以追溯到1933年,那一年天文学家Zwicky发现一个星系团中的星系速度比预期的要大,根 据牛顿万有引力定律,意味着星系之间还有很多我们没有看到的物质,当时叫丢失了的物质。到了1975年,人们还肯定了星系内也含有很多不发光的暗物质。

支持暗物质存在的证据都来自天文学观测。最能说明问题的是“子弹星系团”的观测,这是两个相撞后的星系团。2006年的一个研究表明,在“子弹星系 团”中的星系团碰撞后,可见物质组成的气体由于相互之间的作用还纠缠在一起,而暗物质相对穿行而过,暗物质之所以会穿行而过就是因为它们暗,不发生什么相 互作用。和暗物质一起穿行而过的是恒星。这个结果支持暗物质假说,基本否定了与暗物质假说竞争的其他理论,如一些新的引力理论。

到目前为止,暗物质对于我们来说真的很暗,因为暗物质的证据都是引力的,我们看不到它们发光,也看不到它们辐射其它粒子。这个情况也许在08年下半 年根本改变了,两个独立的实验似乎探测到了暗物质辐射出的电子和正电子。这两个实验分别是ATIC和PAMELA。ATIC是先进离子量能器的简 称,PAMELA是反物质探测和轻原子核天体物理卫星荷载的简称。

ATIC实验主要成员是美国的一些单位,中国紫金山天文台,俄国以及德国。这是一个气球探测实验,设计目的是研究宇宙射线为什么有那么高的能量,以 及探测银河系内宇宙射线源发射的电子和正电子。紫金山天文台的常进研究员在ATIC实验中起到关键作用,建议探测电子和正电子。正是这个建议使得ATIC 在实验上取得突破性的进展,在几次气球飞行实验中,他们探测到了比预期多出的高能正负电子。这些正负电子的能量极高,介于300京到800京电子伏之间。 人们猜测,这些70个带电粒子可能来源于附近的脉冲星,也可能来源于暗物质。由于没有找到脉冲星的候选者,人们更倾向于认为它们来自暗物质的湮灭或者衰 变。另外,ATIC的实验结果似乎更加支持暗物质的解释。

负载PAMELA的卫星2006年6月15日升空,科学目标是通过探测正负电子来探测反物质。这个实验能够探测的粒子能量比ATIC小,去年 ATIC向自然杂志投稿之后,PAMELA实验组在8月份公布了类似的结果,他们发现在20京到100京电子伏之间,正电子数目远远超过正常的预期。这两 个实验是相容的,都表明需要附近脉冲星或暗物质的存在来解释。

PAMELA实验在发现正电子反常地多之外,并没有发现质子和反质子的反常,这两种粒子也是带电粒子,同时具有稳定性(在到达地球附近之前不会衰变 成其他粒子)。所以,任何人如果想解释这两个实验结果,他必须同时能够解释为什么只产生正电子而不产生质子(都带正电荷),并且,产生的源必须在银河系之 内,距离地球不超过3千光年。如果正负电子起源过于遥远,经过漫长的旅行之后,它们通过和星际磁场和光子的相互作用早就丢失很多能量了。如果这些带电粒子 来源于暗物质,这将是暗物质的第一个不是通过万有引力看到的证据。去年,国外科学刊物和媒体并没有将两个实验结果列为08年十大科学进展。鉴于研究暗物质 对我们理解宇宙以及物理基本规律的重要性,我个人认为这是08年最重要的科学进展,虽然两个实验组比较低调。我们需要进一步做实验才能确定这些多余粒子是 暗物质存在的产物,低调一点是应该的。

其实在去年公布实验结果的两个实验之前,还有其它实验得到类似结果,但由于精度所限,并没有引起大家的重视。在ATIC和PAMELA之后,理论家 们行动起来了,提出了五花八门的理论。从PAMELA去年十月份放在网上的文章被引用的统计来看,已经有了一百二十余篇相关论文,并有十三个博客将链接指 向PAMELA文章。用暗物质解释这两个实验并不容易,因为这里涉及到一些过去没有想到的暗物质的性质。

去年两个实验还不能肯定暗物质导致了这些宇宙射线,因为还没有被发现的脉冲星也许是它们的源头,另外,即使是暗物质放出了这些射线,我们也只是间接 地探测到它们。为了更好地探测暗物质,中国科学院已经决定整合国内力量设计更好的实验,一种可能的实验是利用卫星,将ATIC实验升级。还有一种可能的实 验是在地下实验室中直接探测暗物质,建立地下实验室的地址已经选好。可以预期,暗物质的实验和理论研究在今后的很多年内将是中国基础物理研究的一个重要部 分。当然,中国也将投入暗能量的实验研究,不过这是另外一个话题了。

PAMELA小组的文章:

Observation of an anomalous positron abundance in the cosmic radiation

高能物理所毕效军的演讲

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