人类暗物质搜寻计划再次空手而归

2019-04-14 10:28新浪科技 (晨风)

北京时间4月14日消息,一直以来,物理学家们都希望了解暗物质的本质,这种神秘物质几乎占据了宇宙的1/4,但我们对于它们的本质却依旧几乎一无所知。那究竟是什么?有一种观点认为,暗物质实际上是由大量微小而“模糊”的小粒子组成的,其行为就像一个巨大的单一“粒子”。这是什么意思?后面再做解释。

但不管如何,科学家们遇到了挫折:他们搜寻这种“模糊”超轻粒子的努力没能成功。根据今年2月28日发表在《宇宙学与天体粒子物理学》杂志上的最新研究论文,最新开展的搜寻工作最终是空手而归。

这样的结果显示,如果暗物质果真是由这类微小粒子组成的,那么它们的踪迹一定要比我们想象的更加诡秘难测,几乎不与常规物质之间发生任何相互作用。

黑暗核心

暗物质是宇宙中最大的未解之谜之一。这种神秘物质不会与光发生相互作用,但却可以对周围物质施加引力影响。在整个宇宙的物质与能量组成中,暗物质大约占据了1/4,科学家们目前还没有找到组成暗物质的粒子,甚至还完全没有弄清它究竟是由什么组成的。

很多科学家怀疑,暗物质是由一种被称作“弱交互作用大质量粒子”(WIMPs)的粒子所组成的。但这一理论存在几个明显的缺陷。举例来说,按照这一理论给出的描述,WIMPs粒子的存在应该会在宇宙大尺度星系结构中产生某种微观结构,但迄今为止的天文学观测还尚未对此给出证实。因此,天文学家们开始尝试往另一个方向进行搜寻,那就是我们前面提到的“超轻质粒子”。

尽管关于暗物质的本质,目前有很多不同的理论,但其中没有任何一种理论是得到了足够多的证据支持因而是无可辩驳的。正如本次这项研究论文的合著者之一,俄罗斯科学院核子研究所的专家谢尔盖·特洛茨基(Sergey Troitsky)所指出的那样,在这种情况下,科学家们不得不对所有理论逐个进行考察并进行排除。

一些关于超轻质粒子的学说认为这类“模糊”的轻质粒子的质量大约要比电子轻10的28次方倍。而之所以会用“模糊”来形容它们,是因为其极小的质量意味着其性质和行为会和波非常相似,界限极为模糊。而这项最新研究尝试了一种从活动星系的光线中搜寻此类粒子存在的方法,不过正如文章开头所言,科学家们这一次没能成功。

由于暗物质占据了宇宙的很大一部分,如果其真的是由这种超轻质粒子组成的,那么这种粒子的数量一定特别多才行。事实上科学家们认为这类粒子的数量可以多到什么程度:它们将处于一种独特的状态之下,就类似一种场,或者玻色-爱因斯坦凝聚态——后者是指粒子在极端低温下通常会表现出来的一种特殊状态,在这种状态下,大量粒子将凝聚到一起,呈现出某种类似液体的行为。此时,原本无数的粒子,其行为却具备了整体性,就像一个单一的整体,或者被视作一个单一粒子。

因此,或许暗物质的单个粒子的确不会与光发生相互作用,这也是为何科学家们如此苦苦寻觅而难见其踪影的原因之一,但在宏观尺度上,这种“场”会在电磁波偏振方面产生影响。随着场的密度发生周期性震荡,当光线在宇宙空间中传播的时候,其偏振效应会出现相应变化。

理论上说,光线只要传播距离超过325光年左右,这种偏振效应改变就会达到可以被观测到的地步。而这种场的震荡效应直接取决于超轻质暗物质粒子的质量。因此,理论上说,只要对这种效应进行观察,科学家们便可以得到暗物质粒子的质量数值。

为了搜寻这种由于超轻质暗物质粒子场产生的光线偏振效应,天文学家们查阅了由甚长基线干涉阵列(VLBA)的历史存档数据。这是一套位于美国新墨西哥州境内的射电望远镜阵列,由10台口径25米的射电望远镜组成。天文学家们将注意力集中在从大约30个星系核心发出的光线上,这些星系核心无一例外都在向外喷射巨量的物质,产生的喷流长度可以达到数百光年。来自这些星系核心的光线都显示显著的偏振,并且此前就已经被详细研究过,因此关于这些光线长期时间尺度上的偏振数据是现成的,可以直接获得。

谢尔盖·特洛茨基表示:“我们常常利用已经出版的论文,或者可以公开获得的数据库中的数据,来对一些基本粒子的性质进行约束。但这一次我们联络了我们的射电天文学同行,他们对历史存档数据进行了重新挖掘,根据我们的目的重新进行了梳理和分析。”

通过对过去20年间历史数据的分析,科学家们发现了多种偏振现象,但遗憾的是没有一种符合他们先前从理论上预测的模式。活动星系核常常会产生不规则的脉动效应。但超轻质暗物质粒子产生的震荡则是规则性的。

最终,科学家们并未找到与超轻质暗物质粒子存在的相关线索,至少那种可以解释大尺度上星系结构缺失的轻质粒子,在本次搜寻工作中未能发现。但需要说明的是,这样的结果并不能说明这种粒子就绝对不存在。

谢尔盖·特洛茨基表示:“除了引力之外,无法保证构成暗物质的粒子与可见世界之间存在任何形式上的相互作用。要想找到这种具备一定质量,但除此之外没有任何相互作用的粒子将是非常困难的,尽管这似乎是解释暗物质存在的最简单模型。”

尽管这项研究似乎会让传统超轻质暗物质粒子模型显得有些风雨飘摇,但研究人员目前还不打算将其放弃。

以色列特拉维夫大学天文学家雷纳·巴卡纳(Rennan Barkana)表示:“关于暗物质,我们唯一确定的是它一定不是由现代物理学中已知的某种粒子所组成的。因此,在我们获得自然界暗物质的确凿观测证据之前,我们都必须小心面对任何的猜想或猜测,保持一个开放的头脑。”

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