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意卫星曾捕获暗物质信号 美宇航局给出专业解释

http://www.kexue.com 2011-11-25 09:32:36 腾讯科学  发表评论


NASA太空望远镜揭示意大利卫星三年前探测到的暗物质信号

  据国外媒体报道,意大利的PAMELA(负载反物质探索和光核天体物理学)卫星于2008年探测到了太空中一个不寻常的信号:一个反物质粒子尖状物疾驰穿过太空。这一发现当时引起了争议,暗示物理学家即将探测到暗物质--被认为占据了宇宙中85%空间的一种神秘物质。现在,美国宇航局的费米伽玛射线太空望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope)的新数据证实了这个尖状物,也将其解释为暗能量的标志,并且进一步揭示其本质。

  理论界普遍认为,当两个暗物质粒子相撞时,它们应该歼灭对方产生湮灭现象,生成普通的粒子,如电子和它的孪生兄弟--正电子。由于爱因斯坦的质能等价理论方程式E = MC2,即这些粒子的能量基本上等于原来的暗物质粒子的质量乘于光速平方。所以,当PAMELA探测到正电子尖状物通过特定的能谱飞向大量的负电子,一些物理学家感到很兴奋,因为他们认为PAMELA可能观测到了这种湮灭的证据。不过,因为正电子在宇宙中其它地方也能产生,包括脉冲星和中子星,所以当时不能确定结果。它激起不少狂热人士的兴趣,PAMELA的初步数据在会议上被提出来,物理学家使用手机来捕捉PAMELA的照片,然后在互联网上发表研究报告指出这些数据对解释暗物质的意义。

  此后,这一发现引起更为广泛的关注,NASA的费米研究小组公布了费米伽玛射线太空望远镜探测到的宇宙射线光谱数据,但没有显示特别的信号。然而,费米小组经过分析认为,这是因为费米伽玛射线太空望远镜的功能是测量中性伽马射线,并没有搭载区分带负电荷的电子和带正电的正电子的磁铁。于是他们将收集到的关于反物质的大量数据研究大质量弱相互作用粒子(WIMP)--根本的暗物质粒子,预期的信号将是在一定能量范围内稳步上升的正电子,接着突然下降。物理学家用数十亿电子伏记录这些能量的变化,当正电子信号下降,物理学家就能计算WIMP的质量。

  美国斯坦福大学的物理学家斯特凡-芬克(Stefan Funk)和贾斯汀-凡登布劳克(Justin Vandenbroucke )希望根据PAMELA的观测结果对准正电子信号。他们找到了这样一种方法,使用地球本身作为一个粒子过滤器。贾斯汀说:“你基本上可以在某些只有电子或只有正电子通过地球磁场的方向看到。” 斯特凡和贾斯汀的方法已提交给《物理评论快报》,证实了意大利卫星的观测结果。研究结果表明,正电子的相对丰度似乎上升至200亿-1000亿电子伏特。研究人员首次发现,正电子信号可继续增强至2000亿电子伏特。如果他们看到的是暗物质残留物,那么WIMP的质量将是一个质子的至少100倍,这在许多理论的预测范围内。

  哈佛大学的物理学家道格-芬克贝涅(Doug Finkbeiner)说:“这是天文观测的一大壮举,这太棒了。不过,新的数据是否有关暗物质,这还言之尚早。被密切关注的PAMELA卫星和费米望远镜观测结果表明,正电子信号可能在更高的能量下继续得到增强,甚至超越了费米望远镜最新的测量。也就是说,也许这不是明显的尖状物,而是一个宇宙射线谱的一部分,其来源目前还不知。新的研究报告证实了PAMELA卫星的结果,同时也揭示了不管正电子是否来自暗物质湮灭,或者来自脉冲星,都会出现正电子信号。”

  芝加哥大学宇宙学家迈克尔-特纳(Michael Turner)说:“确认正电子数量上升意味着宇宙的又一新发现。但是,如果它们没有突然下降,我们就没有一个确凿的证据。”他与美国麻省理工学院的理论家弗朗克-韦尔切克(Frank Wilczek)共同著作的报告第一次提出寻找正电子作为WIMP的湮灭的证据。为了寻找特纳的“确凿的证据”现在依靠另一个探测器,国际出资22亿美元研制的的阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer )在今年5月发送到国际空间站。阿尔法磁谱仪包括一个强大的磁铁用于解析宇宙射线,还能够探测正电子过剩和突然下降,比费米望远镜探测到更高的能量。芬克贝涅说:“阿尔法磁谱仪应该可以对此作出最后陈述,我们都热切地期待着。”(嘟嘟/编译)

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