揭示银河系反物质来源:每秒钟制造9万亿千克

[ 录入者:zhangms | 时间:2017-06-13 13:23:09 | 作者:任天 | 来源:新浪科技 | 浏览:1044次 ]

亮红色的线条是银河系发出的高能辐射,其中有一些来自反物质的湮灭

新浪科技讯 北京时间6月12日消息,据国外媒体报道,反物质在宇宙中是极其稀有的,但宇宙的范围无比巨大,即使是很少的数量都相当可观。对银河系中的辐射观测显示,存在一些正电子持续与电子碰撞并湮灭。科学家估计,仅仅银河系就存在着大量的正电子,每秒湮灭的反物质大约为9.1万亿千克。

这些反物质来源于哪里?我们还不得而知,但科学家已经提出了几个可能的来源,包括暗物质粒子和超大质量黑洞。在近期发表于《自然-天文学》(Nature Astronomy)的一篇论文中,澳大利亚国立大学的研究人员提出了一个相对不那么激动人心的推测:这些反物质来源于一类特殊的超新星,这些超新星在爆发时能产生大量的放射性钛,后者经过衰变后会释放出正电子。

尽管在地球上可以用辐射制造出正电子,但它们在产生出来之后会瞬间与电子碰撞并湮灭,然后释放出一个高能光子。然而,太空中的物质极其稀疏,科学家估计正电子通常要飞行10万年以上才会与其他物质碰撞。如此漫长的时间足以使任何单一的来源变得模糊,快速的正电子产生过程成为缓慢湮灭过程的背景。因此,即使存在一些产生正电子的物体,我们也很难观测到它们。

在银河系中央的核球附近,似乎存在着过量的正电子。由于核球处的恒星数量比银盘少得多,因此恒星似乎不大可能是正电子的来源。这也是暗物质湮灭成为可能解释的原因之一。但是,反物质湮灭后到达地球的光子只具有湮灭本身产生的能量,并没有携带额外的能量。这意味着,这些正电子的能量相对较低,因此可以排除暗物质碰撞其他多种可能来源。

论文作者指出,欧洲空间局的“国际迦马射线天体物理学实验室”(INTEGRAL)卫星的观测显示,来自银盘的正电子数量要远多于我们之前所预计的。而且,大量来自核球的正电子似乎产生于中央黑洞。因此,银盘和核球所产生的正电子数量应该大致与其中的恒星数量成正比,恒星来源说又重新获得了支持。

一颗充满了常规物质的恒星如何能产生反物质呢?通过它的膨胀。超新星能产生大量较重的元素,其中一些具有放射性。某些特定类型的放射性元素在衰变时会释放正电子。事实上,超新星中已知有三种元素能做到这点:镍-56、钛-44和铝-26。

在这三种元素中,镍-56具有最短的半衰期——只有6天。由于衰变迅速,在大部分正电子释放时,超新星的碎屑依然具有很强的放射性。因此,这些正电子会在碎屑中湮灭,为提高超新星的亮度做一点贡献。

相比之下,铝-26的半衰期超过1万年,足以使正电子远离超新星。由于铝-26衰变时通常远离其他辐射源,因此我们可以探测它衰变时产生的光子,作为测量正电子数量的方法。不过,我们测得的数量只占了10%的正电子湮灭率,因此铝-26也被排除了。

最后是钛-44,其半衰期为60年,足以使超新星碎屑在正电子产生之前变得稀薄。而且我们可以在超新星塌缩产生的碎屑里找到钛-44的衰变。然而,现实再一次令我们失望。我们可以利用湮灭释放的光子来追踪衰变,但这些超新星残余中并没有足够的钛,换句话说,这些钛不足以解释银河系中正电子的数量。似乎钛来源说已经被排除了。

不过,研究人员找到了一个新的方法,使这一假说依然有可能成立。有一类相对罕见的超新星(被称为类SN 1991bg超新星)能产生异常多的钛。这些超新星产生于两颗中等大小的恒星距离足够近,以至于分享一个共同包层的情况下。其中一颗恒星会获得足够的物质,演变成一颗由碳和氧组成的白矮星;另一颗恒星则变成几乎全部由氦组成的圆球。模型显示,当两颗恒星随后碰撞并爆发的时候,会产生大量中等质量的原子,比如钙、铬和最重要的钛。

科学家已经在这类超新星爆发的后续中发现了钛的衰变。据估计,这类爆发的发生率足以支持放射性钛的稳定输出。关键的问题在于,这些钛是否足以提供另外90%不是来源于铝的正电子。根据简化的核聚变链式反应模型,这种情况是有可能的。不过,论文作者呼吁研究超新星模型的其他研究者对这类特殊的爆发形式进行模拟。

银河系的暗物质来源还远没有到下定论的时候,但研究人员提出的这一解释或许能在不久的将来得到检验——通过计算机模拟和天文观测。(任天)

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