天天快播：引力之门理论：神秘的宇宙之门

2022-11-14 10:02:18 来源：科普中国

（图片来源：站酷海洛【shutterstock】）

这个来自天体物理学家的想法或许可以解开两大理论谜团：其一是银河系中心为什么会向外辐射大量奇异的超高能射线？其二是自从50年前被发现就一直困扰人类至今的所谓看不见的暗物质，到底是什么？

这个想法有一个特别炫酷的名字——引力之门理论。该理论认为，当两个暗物质粒子（先不论暗物质是什么）被吸入引力之门时，它们会相互湮灭并释放大量的强伽马射线。

(资料图片仅供参考)

该理论的思路潜在解释了为什么银河系的中心——大家普遍认为那里满是潜伏的暗物质团——有那么多伽马射线。同时，这个理论也将揭示暗物质的运动规律，以及暗物质与宇宙间普通物质的碰撞交流。

暗物质到底是什么？

宇宙中有80%以上的物质都没有办法用粒子物理学的标准模型来解释。科学家称之为“暗物质”，因为这些物质不和光发生任何反应。1970年，暗物质的存在被首次提出，当时的天文学家维拉.鲁宾（Vera Rubin）发现星系旋转的速度比预想要快得多——如果没有额外的、隐藏的引力加成，在如此高速的运转下，这个星系早在亿万年前就撕裂了。

几十年来，天文学家们对是否需要改变以往对重力的认识举棋不定，也不知道是否要把“存在但确实看不见”的物质加入对宇宙的认识中，或者换一种说法——把一种全新的构成宇宙的物质囊括到已有的类别中。但随着时间的流逝，大量的观察考证之后，答案渐渐清晰。没有任何一个打过补丁的重力理论可以解释所有的现象。物理学家们对宇宙中正态物质的范围进行了严格的限制（光、暗和介于两者之间的一切物质）。

接下来，只有暗物质能够解释飞速旋转的星系了，这将是一种全新的粒子，特性未知。它不与光发生相互反应，不然我们就可以看到这种物质的存在了。它也不和强原子核力发生反应，不然它就会和粒子们组合成为物质，科学家就可以在原子实验中检测到它的存在。暗物质或许会和弱原子核力发生反应，但弱原子核力太过微弱，影响的范围太小，以至于观察预期结果的任何偏差都极具挑战性。

也许此刻，就有无数的看不见的暗物质粒子悄无声息穿过你的身体。

然而，暗物质的引力使它最终被世人发现，因为宇宙中每一个质量体都具有引力，这是自然定律。所以要了解暗物质，万无一失的方法就是通过观察其与正常物质的引力相互作用，例如星系中恒星的运动。

但这或许不是唯一的方法。

什么是超能电子

发表在arXiv预印数据库的一篇报告指出，物理学家提出一项全新的理论来解释“何为暗物质”和“暗物质如何运作”的难题。但在了解他们的理论之前，我们需要介绍一点能帮助我们理解暗物质的线索。这些线索来自银河系中心散射出的超量伽马射线的形态。

伽马射线是辐射的最高能量形态。我们通常只会在一些高能量活动中找到他们的身影，比如超新星的形成。但是在银河系中心的伽马射线只多不少，鉴于这原本是十分罕见的灾难性事件。故而这项新理论提出，伽马射线可能是高能电子运动的副产物。

这些高能电子，又叫做“轻子”，比伽马射线更容易产生，来源未知，遍布整个银河系。这些电子无法被检测出（它们太小太小），但当它们在星际空间穿行时，不经意间会撞上随机的光子（光粒子）。

温和且低能量的光粒子与强侵略性的高能电子相撞，撞击使光粒子获得了大量的能量，甚至开始辐射出我们能看见的伽马射线。

这些撞击解释了伽马射线的来源。但这些高能电子又是来自于何处呢？

穿越引力之门

让我们回顾一下已掌握的知识。第一，暗物质可以通过重力表现出来。第二，银河系中心大量的伽马射线来自于无处不在的高能轻子。第三，因为银核拥有最大的物质密度，所以我们合理推测那里也是暗物质的聚集中心。

这是巧合？还是故意为之？

前两个现象之间的联系有一个恰如其分的名字：轻子引力门。这个理论由中国天提粒子物理学主要实验室的孙旭东和戴本忠教授在其发表于arXiv的论文中得以完善。该论文还没有经过同行评审。

让我们从“引力门”的部分开始。只要我们理解什么是引力——一种吸引物体的力。地球吸引月亮，太阳吸引地球，银河系里的恒星互相吸引……这样的例子还有很多。引力在吸引物体方面确实一丝不苟。

所以，从表面上来看，暗物质也在引力的束缚之中。

但是人们对引力的认识是不全面的。物理学对引力的解释是适用于大型物体的，却没有一种所谓的“量子引力学”，可以解释极微小物体的引力作用。在这个领域，引力也会能带给我们一些未知的惊喜。

一些另外的自然力量能够持续消灭、转化和创造粒子。例如，弱核力可以将质子变成中子，引发放射衰变。粒子及其反粒子可以通过电磁力连接，在辐射爆发中相互湮灭。

因此，在极端情况下，重力也许可以使两个暗物质粒子聚集在一起并摧毁它们，将它们变成其他物质。

根据研究者们描绘出来的理论模型，也许这些暗物质粒子转化为轻子。因此在这个名字的“leptophilic”的部分，意思就是“lepton-loving”（倾向于轻子）。

根据这个新理论，暗物质粒子有时的互相湮灭，最大可能是通过引力的偶然互相作用。这些偶然相互作用在物理学术语中被称为“引力之门”，并为粒子仅仅通过重力相互作用提供了一种方式。那次碰撞的产物是高能电子。这些碰撞在银河系中心会更常见，那里的暗物质密度可能也是最高的。然后，这些电子会在宇宙中持续遨游，最终撞击低能光子，散发出伽马射线，形成我们所观察到的银河系中心的大量射线。

不得不承认，这个想法有点夸张。但鉴于物理学家在鉴别暗物质方面一直不能突破，新的想法总是受欢迎的。该理论与观测到的大量伽马射线的情况是互相匹配的。但是，一旦大门被打开，承认暗物质粒子转化为正态物质（在这种情况下是轻子），必须用更多的理论工作来寻找证明该理论的其他方法。

BY:Paul Sutter

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关键词：暗物质粒子高能电子相互作用