研究稱太陽內部或許正在積聚暗物質(圖)

2010-07-13 20:16

NASA太陽動力學觀測衛星拍攝到的太陽照片

據國外媒體報導，一項威廉亚洲官网 研究顯示，太陽也許是網羅暗物質的大網。如果暗物質恰好具有某種特定形態，它將能夠在這顆距離我們最近的恆星內部積聚，並以一種能被我們觀測到的形式改變熱量在太陽內部的傳遞方式。

暗物質是一種神秘的物質，它構成宇宙中物質總量的83%，但卻不和任何電磁力發生作用。雖然暗物質的量要比我們通常意義上的常規物質多5倍，但人類的肉眼以及任何一種已發明的望遠鏡都無法看到它。物理學家之所以知道它的存在，完全是因為它對於常規物質施加的引力影響。暗物質使星系快速旋轉而不致被自身離心力撕裂，並且對諸多宇宙大尺度結構的形成產生影響。

目前的暗物質探測器所尋找的目標是弱相互作用重粒子(WIMP)，它僅和弱核力和引力作用有關。依據廣為接受的理論，大多數實驗設備都旨在尋找一種較質子質量大100倍左右的粒子。但事實上另一類粒子也不能排除，那就是弱相互作用重粒子的反粒子，當兩顆弱相互作用重粒子相遇，他們將發生湮滅反應，消失無蹤。

「這是一個常常困擾我的問題」，來自牛津大學的宇宙粒子物理學家蘇比爾·薩卡爾(Subir Sarkar)說。如果大爆炸時產生了相同數量的物質和反物質，它們應當早已經「相互消滅」了。「很顯然這並沒有發生，我們在這裡就是最好的證明」，他說，「因此必定有某種機制使物質產生的量勝過了反物質的量，從而使得在反物質全部消失之後還能有一小部分物質倖存下來。」

薩卡爾認為，不管是什麼機制，既然它對物質戰勝反物質產生影響，那也應當對暗物質起到同樣的作用。如果暗物質的演化歷程和常規物質類似，那麼它應當要比現在實驗預料的質量要輕的多，大約僅有5個質子質量。這是一個非常有提示性的數字，薩卡爾說。「如果它(指暗物質)的質量增加5倍，那麼其丰度也會增加5倍，這就是暗物質，」他說道，「這就是在我看來對暗物質最簡單的解釋」。

但問題在於，這些更輕的粒子更難使用現有實驗設備進行探測。在發表於7月2日的《物理評論快報》上的一篇論文中，薩卡爾及其牛津大學的同事麥茲·弗蘭德森(Mads Frandsen)提出了另一種尋找這種更輕暗物質的方法：去太陽裡找。

因為較輕質量的暗物質相遇時不會相互湮滅，因此太陽應當可以收集到很多粒子，就如同滾雪球可以越滾越大一樣。「太陽已經繞著銀河系旋轉了50億年了，他會在運行過程中吸附很多的暗物質」，薩卡爾說。暗物質的集聚可以解決太陽物理中的一個困惑，即「太陽組分問題」。對太陽表面震動的精密觀測顯示太陽內部熱量傳導至表面所用的時間要比標準模型預計的時間短。而僅和同類粒子發生反應的暗物質的參與也許可以解釋這一現象。常規物質的光子和粒子在它們向太陽表層運動時會相互碰撞，因此光和熱要花上數十億年的時間才能逃離太陽。但對暗物質而言，其他常規物質都虛若無物，因此它們在往太陽表層運動時遇到的阻力就小，也因此能更有效的傳遞熱量。「當我們進行計算時，我們驚喜的發現這是正確的」，薩卡爾說，「暗物質可以傳遞足夠的熱量，從而解決太陽組分問題」。

接下來，薩卡爾和弗蘭德森計算了充斥暗物質的假設會對太陽釋放出的中微子數量產生何種影響。他們發現中微子的流量將出現數個百分點的變化。這並不大，薩卡爾說，但卻足以被兩個不同的中微子探測器探測到--一個在義大利，叫「太陽中微子實驗」(Borexino)，另一個位於加拿大，叫薩德伯裡中微子天文臺(SNO+)--它們不久即將投入運行。「這是一個猜想，但卻是可以驗證的」，薩卡爾說。「而且用來驗證它的設備很快就要完工了，我們不必為此等上20年。」」關於輕質量暗物質影響太陽行為的想法「在我看來，並不十分離譜」，來自伊利諾伊州費米國家實驗室的物理學家丹·霍普( Dan Hooper)說。「我看了他們的數據，看起來很不錯。」

來自暗物質探測器的一些令人困惑的結果暗示這些輕質暗物質也許已經被探測到了。今年早些時候，明尼蘇達州一個礦井中的設備：相干鍺中微子技術 (CoGeNT)探測到一個7倍於質子質量的粒子信號，雖然他們目前還不能確定這是否是暗物質。而另一個位於義大利的設備「暗物質」(DAMA)也報告了類似的結果。

「有說服力的證據正在不斷累積」，那就是暗物質僅僅是幾倍於質子質量的粒子，霍普說。「現在還不能下定論，但如果這些數據是正確的，也許明年我們就能更有把握一些了。」

威廉亚洲官网 數據：常規的物質佔宇宙物質密度的5%，暗物質佔25%(5倍於常規物質)。剩下的70%是暗能量。