大波高能粒子在撞击地球,科学家猜测它们可能来自于暗物质

近十年来,地球不断被各种宇宙源的高能粒子所冲刷,并呈现出愈演愈烈之势,但科学家们却无法解释这个现象。最近,伽马射线天文台探测到来自墨西哥 Pico de Orizaba 国家公园 4,050 米高空的宇宙射线,塞拉尼格拉火山在背景中隐约可见。这更加深了天体物理学家们的困惑。

2008 年,研究人员使用 PAMELA(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)探测器,发现高能粒子撞击地球的数量大约是标准模型预测的三倍。这些结果后来被费米伽马射线空间望远镜以及安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS-02)所证实。自那以后,天体物理学家一直在争论这些多余的正电子可能来自哪里。

什么是正电子呢?正常物质的每一个粒子都有对应的反物质,质量相等,但电荷相反。例如,带负电荷的电子的反粒子是带正电的正电子,从外层空间到地球大气层顶端的大部分反物质都是由这种正电子构成。当一个粒子遇到它的反粒子时,它们会互相湮灭,通常释放出称为伽马射线的高能光子。来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究员 Hao Zhou 表示,高能粒子,通常是穿过银河系的质子,当它们与空间中的尘埃和气体相互作用时,就会产生正电子和电子对。

经过多年的努力,密歇根理工大学就这项研究发表了一项声明,集中合并了目前科学界关于这些正电子来源的两种假设。一个假设表明,这些粒子来自附近的脉冲星,即快速旋转的中子星,它可以像电子和正电子粒子一样以惊人的速度旋转。此外还有一种更奇异的解释是:这种反物质是被衰变的暗物质粒子所释放。只是暗物质这种理论中的无形物质,天文学家到目前为止还只能通过其对正常物质明显的引力作用来“检测”。

为了证实第一个假设,一个国际研究小组分析了位于墨西哥城的高海拔切伦科夫(HAWC)伽马射线观测站的数据。当来自湮没的正电子的伽马射线撞击地球的大气层时,它们会撕裂原子,产生大量的粒子以接近光速的速度下降。当这些粒子撞击进 HAWC 的 300 个钢罐内的水中时,会产生微小的闪光。

根据 HAWC 伽马射线天文台的观测结果,由这些脉冲星产生的正电子很难径直到达地球。研究员发现, 每一个脉冲星都被一种模糊的“雾”包裹着,只有相对较少的正电子可以逃逸到地球上。当正电子们撞击宇宙微波背景辐射,即宇宙初生大爆炸中留下的光子时,会产生这种伽马射线雾。通过绘制每个脉冲星周围雾的范围,HAWC 团队可以估计大部分正电子的速度和行驶路径。研究结果表明,这些过量的正电子并非来自于脉冲星。如此以来,便排除了一个假设。

就目前而言,研究员还没有发现十分有效的方法来证实这些过量的正电子是否由暗物质产生,他们表示,唯一剩下的假设就是暗物质,因为另一个已经被证实了。