神秘的宇宙之門：將暗物質重新變爲普通物質，很是神奇

（圖片來源：站酷海洛【shutterstock】）

這個來自天體物理學家的想法或許可以解開兩大理論謎團：其一是銀河系中心爲什麼會向外輻射大量奇異的超高能射線？其二是自從50年前被發現就一直困擾人類至今的所謂看不見的暗物質，到底是什麼？

這個想法有一個特別炫酷的名字——引力之門理論。該理論認爲，當兩個暗物質粒子（先不論暗物質是什麼）被吸入引力之門時，它們會相互湮滅並釋放大量的強伽馬射線。

該理論的思路潛在解釋了爲什麼銀河系的中心——大家普遍認爲那裡滿是潛伏的暗物質團——有那麼多伽馬射線。同時，這個理論也將揭示暗物質的運動規律，以及暗物質與宇宙間普通物質的碰撞交流。

暗物質到底是什麼？

宇宙中有80%以上的物質都沒有辦法用粒子物理學的標準模型來解釋。科學家稱之爲“暗物質”，因爲這些物質不和光發生任何反應。1970年，暗物質的存在被首次提出，當時的天文學家維拉.魯賓（Vera Rubin）發現星系旋轉的速度比預想要快得多——如果沒有額外的、隱藏的引力加成，在如此高速的運轉下，這個星系早在億萬年前就撕裂了。

幾十年來，天文學家們對是否需要改變以往對重力的認識舉棋不定，也不知道是否要把“存在但確實看不見”的物質加入對宇宙的認識中，或者換一種說法——把一種全新的構成宇宙的物質囊括到已有的類別中。但隨着時間的流逝，大量的觀察考證之後，答案漸漸清晰。沒有任何一個打過補丁的重力理論可以解釋所有的現象。物理學家們對宇宙中正態物質的範圍進行了嚴格的限制（光、暗和介於兩者之間的一切物質）。

接下來，只有暗物質能夠解釋飛速旋轉的星系了，這將是一種全新的粒子，特性未知。它不與光發生相互反應，不然我們就可以看到這種物質的存在了。它也不和強原子核力發生反應，不然它就會和粒子們組合成爲物質，科學家就可以在原子實驗中檢測到它的存在。暗物質或許會和弱原子核力發生反應，但弱原子核力太過微弱，影響的範圍太小，以至於觀察預期結果的任何偏差都極具挑戰性。

也許此刻，就有無數的看不見的暗物質粒子悄無聲息穿過你的身體。

然而，暗物質的引力使它最終被世人發現，因爲宇宙中每一個質量體都具有引力，這是自然定律。所以要了解暗物質，萬無一失的方法就是通過觀察其與正常物質的引力相互作用，例如星系中恆星的運動。

但這或許不是唯一的方法。

什麼是超能電子

發表在arXiv預印數據庫的一篇報告指出，物理學家提出一項全新的理論來解釋“何爲暗物質”和“暗物質如何運作”的難題。但在瞭解他們的理論之前，我們需要介紹一點能幫助我們理解暗物質的線索。這些線索來自銀河系中心散射出的超量伽馬射線的形態。

伽馬射線是輻射的最高能量形態。我們通常只會在一些高能量活動中找到他們的身影，比如超新星的形成。但是在銀河系中心的伽馬射線只多不少，鑑於這原本是十分罕見的災難性事件。故而這項新理論提出，伽馬射線可能是高能電子運動的副產物。

這些高能電子，又叫做“輕子”，比伽馬射線更容易產生，來源未知，遍佈整個銀河系。這些電子無法被檢測出（它們太小太小），但當它們在星際空間穿行時，不經意間會撞上隨機的光子（光粒子）。

溫和且低能量的光粒子與強侵略性的高能電子相撞，撞擊使光粒子獲得了大量的能量，甚至開始輻射出我們能看見的伽馬射線。

這些撞擊解釋了伽馬射線的來源。但這些高能電子又是來自於何處呢？

穿越引力之門

讓我們回顧一下已掌握的知識。第一，暗物質可以通過重力表現出來。第二，銀河系中心大量的伽馬射線來自於無處不在的高能輕子。第三，因爲銀核擁有最大的物質密度，所以我們合理推測那裡也是暗物質的聚集中心。

這是巧合？還是故意爲之？

前兩個現象之間的聯繫有一個恰如其分的名字：輕子引力門。這個理論由中國天提粒子物理學主要實驗室的孫旭東和戴本忠教授在其發表於arXiv的論文中得以完善。該論文還沒有經過同行評審。

讓我們從“引力門”的部分開始。只要我們理解什麼是引力——一種吸引物體的力。地球吸引月亮，太陽吸引地球，銀河系裡的恆星互相吸引……這樣的例子還有很多。引力在吸引物體方面確實一絲不苟。

所以，從表面上來看，暗物質也在引力的束縛之中。

但是人們對引力的認識是不全面的。物理學對引力的解釋是適用於大型物體的，卻沒有一種所謂的“量子引力學”，可以解釋極微小物體的引力作用。在這個領域，引力也會能帶給我們一些未知的驚喜。

一些另外的自然力量能夠持續消滅、轉化和創造粒子。例如，弱核力可以將質子變成中子，引發放射衰變。粒子及其反粒子可以通過電磁力連接，在輻射爆發中相互湮滅。

因此，在極端情況下，重力也許可以使兩個暗物質粒子聚集在一起並摧毀它們，將它們變成其他物質。

根據研究者們描繪出來的理論模型，也許這些暗物質粒子轉化爲輕子。因此在這個名字的“leptophilic”的部分，意思就是“lepton-loving”（傾向於輕子）。

根據這個新理論，暗物質粒子有時的互相湮滅，最大可能是通過引力的偶然互相作用。這些偶然相互作用在物理學術語中被稱爲“引力之門”，併爲粒子僅僅通過重力相互作用提供了一種方式。那次碰撞的產物是高能電子。這些碰撞在銀河系中心會更常見，那裡的暗物質密度可能也是最高的。然後，這些電子會在宇宙中持續遨遊，最終撞擊低能光子，散發出伽馬射線，形成我們所觀察到的銀河系中心的大量射線。

不得不承認，這個想法有點誇張。但鑑於物理學家在鑑別暗物質方面一直不能突破，新的想法總是受歡迎的。該理論與觀測到的大量伽馬射線的情況是互相匹配的。但是，一旦大門被打開，承認暗物質粒子轉化爲正態物質（在這種情況下是輕子），必須用更多的理論工作來尋找證明該理論的其他方法。

BY:Paul Sutter

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