暗物質究竟是什麼?科學家們為此發生了一次有意思的爭執

2020-12-05 話說天文
星系

最初,天文學家通過觀測星系旋轉周期等等數據推算星系的質量時,發現星系的質量遠大於使用天文望遠鏡所觀測到的數據,科學家們由此提出在星系中或許普遍存在著一種看不見摸不著的物質稱作暗物質。這個假說提出後,很好解釋了許多星系的觀測數據。但是我們始終對暗物質的實質一無所知。

暗物質模擬圖

近日三個物理學家表明他們通過觀測天空空蕩的扇區分析數據得出,暗物質可能由一種叫做惰性中微子的奇異物質構成。與普通的中微子不同,這種物質質量較大,它不能與原子核發生弱相互作用,而只能與普通中微子發生相互作用。它們的相互作用來自於一種叫中微子混合的過程,即普通中微子變形為惰性中微子的過程。關於中微子大家可以參考筆者早些發布的文章:

關於中微子的研究或許能揭示為什麼反物質在宇宙中會這麼少

然而這三個物理學家的結論很快受到了質疑。其中來自美國加州大學爾灣分校的理論物理學家沃爾基.阿巴扎居安戲謔地說這是他見過的最糟糕的隨意提取數據的研究之一。另一個科研小組進行觀測他們得到了與之前那三位物理學家完全相反的結論。他們為什麼會得出兩個截然相反的結論呢?

我們先來看看雙方各自是怎麼得到結論的。

中微子

首先,惰性中微子並不是一成不變的,它會以一個較小的概率衰變為一個普通中微子和一個X射線光子。科學家們通過觀測我們銀河系中央和鄰近的星系時探測到一些X射線微弱的光芒,而它們都處在同一個能量值,即3.5千電子伏特。我們用愛因斯坦的質能方程換算出靜止質量對應靜止能量為7千電子伏特的惰性中微子衰變時放出的X射線光子正是這個能量。

反對暗物質是惰性中微子的科學家,麻省理工學院研究員班傑明.薩弗迪認為觀測到的X射線未必來自於暗物質。他所在團隊尋找了4000多張恆星之間的空間內的照片,假如我們所處的星系在一個巨大的惰性中微子云中,那麼望遠鏡應該能探測到3.5千電子伏特的X射線閃光。可他們並沒有發現任何的跡象。他們探測到的X射線往往可以溯源到熱氣體等等平常的X射線發射現象。

星系處在中微子云zh

萊登大學阿列克謝.博雅斯基所在團隊利用同一組數據得出了截然相反的結論,他們說他們看見了3.5千電子伏特的X射線閃光。他們認為我們的星系充滿了稀薄的等離子氣體,於是乎我們拍攝到的天空儘管不存在暗物質的貢獻也會有X射線出現,還有一些X射線可能還來自於我們星系以外,就連他們用於觀測X射線的XMM牛頓望遠鏡本身都會發射X射線。所以要想看到暗物質發出的3.5千電子伏特的X射線,我們必須扣除這些X射線源的影響。

XMM-牛頓太空望遠鏡

為此博雅斯基分析了XMM-牛頓望遠鏡探測到的所有X射線的能量,為其的整個背景構建了模型,然後將這部分本底扣除。他們去掉了3.3千電子伏特3.7千電子伏特的峰值,得到了3.5千電子伏特的峰值。

而薩弗迪說他們的分析技術更加先進,他們沒有對X射線的所有能量值做分析,而是對每一張圖片做了一個範圍更小的精度更高的分析,雖說他們沒有扣除鄰近兩個能量的峰值,以他們的技術,假如在3.5千電子伏特處有峰值,他們完全可以偵測到。而事實上並沒有。

兩邊陣營相持不下。博雅斯基說無論如何他要將他們的成果提交給《科學》雜誌,他不求能發表,但是至少要在同行內評評理。

暗物質

非常有意思的爭論。實際上這樣的爭論每天都在科研圈內發生,這也是科研的一個極其關鍵的步驟,有質疑有爭論才會有進步。但願在科學家們的爭論中,真相會越來越開朗,暗物質的神秘面紗會最終被揭曉。

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