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JCAP寻找宇宙原始的反物质难上加难物流

发布时间:2019-11-29 16:30:04 阅读: 来源:平衡车厂家

科学网—JCAP:寻找宇宙原始的反物质“难上加难”

图片说明:物质与反物质粒子碰撞时会发生湮灭,并多以伽马射线的形式放出能量。不过,最新研究没有在子弹星团中观测到湮灭发生。(图片来源:CXC/M. Weiss)科学家们正致力于寻找宇宙最开端留下的反物质证据。然而,从NASA钱德拉X射线太空望远镜(Chandra X-ray Observatory)和康普顿伽马射线观测器(Compton Gamma Ray Observatory)最新数据中得出的结论表明,寻找反物质的努力可能会变得更加困难。相关论文发表在《宇宙论与天体粒子物理学杂志》(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)上。众所周知,反物质基本粒子与物质粒子比如质子、中子、电子的质量相同,但电性和磁性恰好相反。物质和反物质粒子碰撞时会发生湮灭,并根据E=mc2产生出能量(大多是伽马射线形式)。根据大爆炸模型,宇宙在大爆炸后很短的时间内充斥着物质和反物质的粒子,它们绝大多数都发生了湮灭,但由于自发对称性破缺,物质粒子比反物质粒子稍多一点(不到十亿分之一),因此最后只有物质留了下来,至少在局部宇宙中是这样。科学家相信,由黑洞和类星体导致的剧烈现象比如相对论喷流(relativistic jets),可以产生反物质的痕量。不过,到目前为止,还没有发现任何关于从婴儿期宇宙残留下来的反物质证据。在大爆炸之后的几分之一秒内,宇宙发生了指数级的暴涨。那么原始的反物质如何残留下来?论文作者、美国俄亥俄州立大学的Gary Steigman表示, 如果在暴涨之前,物质团和反物质团是彼此靠近存在的,那么它们现在彼此相隔的距离可能已经超过了可观测宇宙尺度。因此,人们或许永远看不到它们相遇。不过,它们也有可能分隔在更小的尺度上,比如星系团或者超星系团,这是一种更为有趣的可能性。 在这种情况下,作为宇宙中最大的引力束缚体系,两个星系团之间的碰撞就有可能带来反物质的证据。X射线表明了有多少热气体参与了碰撞过程,而如果来自某个星系团的气体中存在有反物质粒子,那么碰撞中就会发生湮灭,导致X射线中夹杂有伽马射线。钱德拉和康普顿望远镜的观测正是基于上述原理,它们的实际研究对象是宇宙中以极端高速彼此碰撞的星系团,也就是所谓的 子弹星团 (Bullet Cluster)。可以说,子弹星团为寻找反物质信号提供了极佳的试验场。Steigman说, 这是迄今为止对反物质此类检测中的最大尺度。 不过,钱德拉望远镜观测到的X射线量和康普顿望远镜没有探测到伽马射线的数据说明,反物质在子弹星团中的比例不到百万分之三。此外,对子弹星团合并的模拟研究表明,新的观测结果排除了在大约6500万光年的范围内存在大量反物质的可能性,这一距离是对两个碰撞星系团最初分隔距离的估计。Steigman表示, 物质和反物质的碰撞是宇宙中产生能量最高效的过程,但或许这不在很大的尺度上发生。不过,我还没有放弃,我正打算关注新近发现的其他一些碰撞星系团。 通过寻找宇宙中的反物质,科学家有望弄清宇宙暴涨持续了多久。Steigman说, 尽管成功机会很小,但这类实验的成功将告诉我们很多关于宇宙最初阶段的事情。 尽管最新研究没有找到反物质线索,但它还是为寻找反物质在更小尺度上的存在提出了更严格的限制,即关注那些没有发生新近的大碰撞的单个星系团。(科学网 任霄鹏/编译)(《宇宙论与天体粒子物理学杂志》(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics),doi: 10.1088/1475-7516/2008/10/001,Gary Steigman)更多阅读(英文)《宇宙论与天体粒子物理学杂志》论文摘要

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