太陽可能是暗物質粒子製造工廠(圖)

2008-06-21 00:29

 

據美國宇航局太空網報導，神秘的暗物質遍佈整個宇宙，但其特性卻是數十年來一直困擾天體物理學家的謎題。如今，一組科研人員開始對太陽內部展開研究，以探討其最可能的成因之一，從而創造了首次有望破解這一謎團的機會。

十個小組全力尋找

人類一直認為，這種被稱為暗物質的不可見東西，佔據了宇宙中90%的空間。到目前為止，天體物理學家只是通過重力對恆星和星系的影響，推斷出某些神秘物質的存在(例如，暗物質使星系的旋轉比原本預期的要快)。

在人類假設中，暗物質的基本組成成份主要可能由兩種粒子組成：即所謂的axions和WIMPs(即微弱反應大粒子)。目前有十個小組正在致力於找尋這種重量較大的WIMPs，其中GLAST小組就專門探尋假設WIMPs及其反物質自我相互消亡過程中會產生的伽瑪射線。另有少數幾個小組則致力於探尋重量較輕的粒子----axions。

在佛羅里達大學物理學家大衛.坦納和其他科學家看來，無論從社會學角度還是從技術原因，WIPM小組的數量都遠遠多於axion小組。比如，WIMPs小組會吸引更多的天體物理學家的專業意見，另外，這一重量較大的大粒子也更讓人浮想聯翩。坦納教授對SPACE.com表示，"WIMPs還意味著超對稱性和超大尺寸，因此一旦被探測到，會給理論學者們提供大量的可研究空間，有很大的發展潛力。"

來自伯克利大學的X射線天文學家休.哈德森則率領一個小組進行axion研究，他表示，他們發現了一項極有前途的探尋axion的新方法：探查太陽內部。最近在聖路易斯召開的全美天文學年會上，哈德森發布了自己的研究成果。

太陽可能是暗物質粒子製造工廠

無論在電荷之下或是旋轉之中，axion的重量都極輕，因此極難與宇宙中周圍的物質相結合--即使在這種粒子存在的情況下。太陽被認為可能是製造這些暗物質粒子axions的工廠，具體的想法是：當太陽核心的光量子受到磁場吸引時，他們就會變成axions。由於微粒子只是偶而會與普通物質發生相合作用，因而很容易就會飛越太陽的核心部分，一路暢通地到達由其它粒子組成的太陽表層。一旦到了太陽光環之上，這裡的太陽磁場是非常之強的，axions會再度變回成光量子。

哈德森小組希望，通過能夠觀測到太陽X射線的三大衛星--Yohkoh、RHESSI和 Hinode的現有設備能找到這些光量子。哈德森表示，到目前為止的X射線影像已經顯示出發現了axion信號。他整個小組成員希望，通過綜合大量的映像信息產生更強的潛在的複合信號，進一步增強其探索的靈敏度。這一複合映像可以幫助天體物理學家們去除所謂的背景噪音，它可能是由任何其它物質生成的，而決不是axions。

探尋工作全面展開

另外的axion研究者都是以地面為基礎的。位於日內瓦的歐洲粒子物理研究所內有一架Axion太陽望遠鏡，其目的就在於從太陽超熱的核心探尋出 axions。假設，axions碰到了天文望遠鏡的無電陰磁極(聯合磁場)。由於受到磁場的作用，axions會再重新變成光量子，使用X射線探測儀就能監控到這些光量子所發出的X射線信號。

加利福尼亞勞倫斯.利弗默國立實驗室進行了Axion暗物質實驗，天體物理學家卡爾.範.比伯及同僚們希望能生成出他們自己的axions。他們製造出強烈的磁場，希望能探測到由axion衰減成單一、真正的光量子時發出的微波信號。範.比伯表示，"axion的重量如此之輕，以致於在自由空間時不會衰減成兩個光量子。不過，也可以搞個有趣的把戲：如果我將一個光量子發射到磁場之中(你可以把後者想像成一片虛光子之海)，一個真正的光量子和一個虛光子可以相互作用生成一個axion，反之亦然。"

懸而未決的成果

不管是由axions構成也好，由WIMPs組成也罷，甚至由其它東西組成，這一不可見的物質似乎是無處不在。坦納表示，"該行業人士都認為在宇宙和我們的星系中，有一種組成暗物質的未知粒子。各大星系都有由暗物質形成的暈輪，因此它們的體積看起來都比自身實際的發光實體要大得多。"

如果哈德森或其它小組要進行axions研究，那麼即使聲稱暗物質是由前者組成也不會立即獲得廣泛認同。以一事為例，即使有證據表明axions確實存在，也無法否認WIMPs沒有存在。範.比伯表示，"我們生活的這個宇宙就像一個類似雞尾酒的世界，其中可能由90%的WIMPs和10%的axions 組成，也可能兩者的比例相當、各佔一半，也可能是其它的情況。"

當然，這一切不是唯心而定的。坦納表示，"目前還沒有人知道真相，也沒有人敢獨斷地稱自己的暗物質理論是唯一正確的。我們不希望有成百上千種暗物質理論出臺，因為這只能讓問題愈加複雜糊塗。"

就像一次戀愛

儘管在探尋暗物質這一課題上，天體物理學家們意見不一，但卻無一例外地對前景持樂觀態度。範.比伯在接受電話採訪時表示，"我認為，誰不樂觀誰就不可能成功，我絕對抱樂觀態度。我甚至希望，某一天電話鈴響了，對方張口就說‘你聽說某某某發現axion了嗎？'會有人想出我們現在還沒有想到的妙招的。我隨時做好有突然發現的準備，因為能有意外之喜也確實不錯。"他將自己對axion的研究比作陷入愛河，"從個人角度講，這就像一次戀愛，陷於其中不能自拔，我已經愛上它20年了。"

對哈德森來說，太陽axions是一項榮譽，是揭開太陽內部秘密的通道。他說， "如果能利用axions，對太陽物理學和恆星物理學都是一次重大革命。一旦得以實現，將發現太陽內部的奧秘。通過對axions轉換至光量子這一過程的研究，也能在太陽光環的磁場有所發現。"舉例來說，axions能幫助天體物理學家們更精確地測量太陽內核的溫度。