尋找宇宙原始的反物質(zhì)“難上加難”時間:2008-11-03 08:49 來源:科學(xué)網(wǎng)
從NASA錢德拉X射線太空望遠鏡和康普頓伽馬射線觀測器最新數(shù)據(jù)中得出的結(jié)論表明，尋找反物質(zhì)的努力可能會變得更加困難。
圖片說明：物質(zhì)與反物質(zhì)粒子碰撞時會發(fā)生湮滅，并多以伽馬射線的形式放出能量。不過，最新研究沒有在子彈星團中觀測到湮滅發(fā)生。（圖片來源：CXC/M. Weiss）
科學(xué)家們正致力于尋找宇宙最開端留下的反物質(zhì)證據(jù)。然而，從NASA錢德拉X射線太空望遠鏡（Chandra X-ray Observatory）和康普頓伽馬射線觀測器（Compton Gamma Ray Observatory）最新數(shù)據(jù)中得出的結(jié)論表明，尋找反物質(zhì)的努力可能會變得更加困難。相關(guān)論文發(fā)表在《宇宙論與天體粒子物理學(xué)雜志》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上。
眾所周知，反物質(zhì)基本粒子與物質(zhì)粒子比如質(zhì)子、中子、電子的質(zhì)量相同，但電性和磁性恰好相反。物質(zhì)和反物質(zhì)粒子碰撞時會發(fā)生湮滅，并根據(jù)E=mc2產(chǎn)生出能量（大多是伽馬射線形式）。
根據(jù)大爆炸模型，宇宙在大爆炸后很短的時間內(nèi)充斥著物質(zhì)和反物質(zhì)的粒子，它們絕大多數(shù)都發(fā)生了湮滅，但由于自發(fā)對稱性破缺，物質(zhì)粒子比反物質(zhì)粒子稍多一點（不到十億分之一），因此最后只有物質(zhì)留了下來，至少在局部宇宙中是這樣。
科學(xué)家相信，由黑洞和類星體導(dǎo)致的劇烈現(xiàn)象比如相對論噴流（relativistic jets），可以產(chǎn)生反物質(zhì)的痕量。不過，到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)任何關(guān)于從嬰兒期宇宙殘留下來的反物質(zhì)證據(jù)。
在大爆炸之后的幾分之一秒內(nèi)，宇宙發(fā)生了指數(shù)級的暴漲。那么原始的反物質(zhì)如何殘留下來？論文作者、美國俄亥俄州立大學(xué)的Gary Steigman表示，“如果在暴漲之前，物質(zhì)團和反物質(zhì)團是彼此靠近存在的，那么它們現(xiàn)在彼此相隔的距離可能已經(jīng)超過了可觀測宇宙尺度。因此，人們或許永遠看不到它們相遇。不過，它們也有可能分隔在更小的尺度上，比如星系團或者超星系團，這是一種更為有趣的可能性。”
在這種情況下，作為宇宙中最大的引力束縛體系，兩個星系團之間的碰撞就有可能帶來反物質(zhì)的證據(jù)。X射線表明了有多少熱氣體參與了碰撞過程，而如果來自某個星系團的氣體中存在有反物質(zhì)粒子，那么碰撞中就會發(fā)生湮滅，導(dǎo)致X射線中夾雜有伽馬射線。
錢德拉和康普頓望遠鏡的觀測正是基于上述原理，它們的實際研究對象是宇宙中以極端高速彼此碰撞的星系團，也就是所謂的“子彈星團”（Bullet Cluster）。可以說，子彈星團為尋找反物質(zhì)信號提供了極佳的試驗場。Steigman說，“這是迄今為止對反物質(zhì)此類檢測中的最大尺度。”
不過，錢德拉望遠鏡觀測到的X射線量和康普頓望遠鏡沒有探測到伽馬射線的數(shù)據(jù)說明，反物質(zhì)在子彈星團中的比例不到百萬分之三。此外，對子彈星團合并的模擬研究表明，新的觀測結(jié)果排除了在大約6500萬光年的范圍內(nèi)存在大量反物質(zhì)的可能性，這一距離是對兩個碰撞星系團最初分隔距離的估計。
Steigman表示，“物質(zhì)和反物質(zhì)的碰撞時宇宙中產(chǎn)生能量最高效的過程，但或許這不在很大的尺度上發(fā)生。不過，我還沒有放棄，我正打算關(guān)注新近發(fā)現(xiàn)的其他一些碰撞星系團。”
通過尋找宇宙中的反物質(zhì)，科學(xué)家有望弄清宇宙暴漲持續(xù)了多久。Steigman說，“盡管成功機會很小，但這類實驗的成功將告訴我們很多關(guān)于宇宙最初階段的事情。”
盡管最新研究沒有找到反物質(zhì)線索，但它還是為尋找反物質(zhì)在更小尺度上的存在提出了更嚴(yán)格的限制，即關(guān)注那些沒有發(fā)生新近的大碰撞的單個星系團。（科學(xué)網(wǎng) 任霄鵬/編譯）
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