尋找宇宙原始的反物質(zhì)“難上加難”時(shí)間:2008-11-03 08:49 來(lái)源:科學(xué)網(wǎng)
從NASA錢(qián)德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡和康普頓伽馬射線觀測(cè)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(huì)變得更加困難。
圖片說(shuō)明：物質(zhì)與反物質(zhì)粒子碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生湮滅，并多以伽馬射線的形式放出能量。不過(guò)，最新研究沒(méi)有在子彈星團(tuán)中觀測(cè)到湮滅發(fā)生。（圖片來(lái)源：CXC/M. Weiss）
科學(xué)家們正致力于尋找宇宙最開(kāi)端留下的反物質(zhì)證據(jù)。然而，從NASA錢(qián)德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡（Chandra X-ray Observatory）和康普頓伽馬射線觀測(cè)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(huì)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(shí)會(huì)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(shí)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(duì)稱性破缺，物質(zhì)粒子比反物質(zhì)粒子稍多一點(diǎn)（不到十億分之一），因此最后只有物質(zhì)留了下來(lái)，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(duì)論噴流（relativistic jets），可以產(chǎn)生反物質(zhì)的痕量。不過(guò)，到目前為止，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何關(guān)于從嬰兒期宇宙殘留下來(lái)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(jí)的暴漲。那么原始的反物質(zhì)如何殘留下來(lái)？論文作者、美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的Gary Steigman表示，“如果在暴漲之前，物質(zhì)團(tuán)和反物質(zhì)團(tuán)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(guò)了可觀測(cè)宇宙尺度。因此，人們或許永遠(yuǎn)看不到它們相遇。不過(guò)，它們也有可能分隔在更小的尺度上，比如星系團(tuán)或者超星系團(tuán)，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(gè)星系團(tuán)之間的碰撞就有可能帶來(lái)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(guò)程，而如果來(lái)自某個(gè)星系團(tuán)的氣體中存在有反物質(zhì)粒子，那么碰撞中就會(huì)發(fā)生湮滅，導(dǎo)致X射線中夾雜有伽馬射線。
錢(qián)德拉和康普頓望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)正是基于上述原理，它們的實(shí)際研究對(duì)象是宇宙中以極端高速彼此碰撞的星系團(tuán)，也就是所謂的“子彈星團(tuán)”（Bullet Cluster）。可以說(shuō)，子彈星團(tuán)為尋找反物質(zhì)信號(hào)提供了極佳的試驗(yàn)場(chǎng)。Steigman說(shuō)，“這是迄今為止對(duì)反物質(zhì)此類檢測(cè)中的最大尺度。”
不過(guò)，錢(qián)德拉望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的X射線量和康普頓望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有探測(cè)到伽馬射線的數(shù)據(jù)說(shuō)明，反物質(zhì)在子彈星團(tuán)中的比例不到百萬(wàn)分之三。此外，對(duì)子彈星團(tuán)合并的模擬研究表明，新的觀測(cè)結(jié)果排除了在大約6500萬(wàn)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(duì)兩個(gè)碰撞星系團(tuán)最初分隔距離的估計(jì)。
Steigman表示，“物質(zhì)和反物質(zhì)的碰撞時(shí)宇宙中產(chǎn)生能量最高效的過(guò)程，但或許這不在很大的尺度上發(fā)生。不過(guò)，我還沒(méi)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(tuán)。”
通過(guò)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(shuō)，“盡管成功機(jī)會(huì)很小，但這類實(shí)驗(yàn)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(méi)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(méi)有發(fā)生新近的大碰撞的單個(gè)星系團(tuán)。（科學(xué)網(wǎng) 任霄鵬/編譯）
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