PRL:太阳内部或许正在积聚暗物质

2010-7-13 09:57 来源: 新浪
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资料图:NASA太阳动力学观测卫星拍摄到的太阳照片

  北京时间7月13日消息,据国外媒体报道,一项最新研究显示,太阳也许是网罗暗物质的大网。如果暗物质恰好具有某种特定形态,它将能够在这颗距离我们最近的恒星内部积聚,并以一种能被我们观测到的形式改变热量在太阳内部的传递方式。

  暗物质是一种神秘的物质,它构成宇宙中物质总量的83%,但却不和任何电磁力发生作用。虽然暗物质的量要比我们通常意义上的常规物质多5倍,但人类的肉眼以及任何一种已发明的望远镜都无法看到它。物理学家之所以知道它的存在,完全是因为它对于常规物质施加的引力影响。暗物质使星系快速旋转而不致被自身离心力撕裂,并且对诸多宇宙大尺度结构的形成产生影响。

  目前的暗物质探测器所寻找的目标是弱相互作用重粒子(WIMP),它仅和弱核力和引力作用有关。依据广为接受的理论,大多数实验设备都旨在寻找一种较质子质量大100倍左右的粒子。但事实上另一类粒子也不能排除,那就是弱相互作用重粒子的反粒子,当两颗弱相互作用重粒子相遇,他们将发生湮灭反应,消失无踪。

  “这是一个常常困扰我的问题”,来自牛津大学的宇宙粒子物理学家苏比尔·萨卡尔(Subir Sarkar)说。如果大爆炸时产生了相同数量的物质和反物质,它们应当早已经“相互消灭”了。“很显然这并没有发生,我们在这里就是最好的证明”,他说,“因此必定有某种机制使物质产生的量胜过了反物质的量,从而使得在反物质全部消失之后还能有一小部分物质幸存下来。”

  萨卡尔认为,不管是什么机制,既然它对物质战胜反物质产生影响,那也应当对暗物质起到同样的作用。如果暗物质的演化历程和常规物质类似,那么它应当要比现在实验预料的质量要轻的多,大约仅有5个质子质量。这是一个非常有提示性的数字,萨卡尔说。“如果它(指暗物质)的质量增加5倍,那么其丰度也会增加5倍,这就是暗物质,”他说道,“这就是在我看来对暗物质最简单的解释”。

  但问题在于,这些更轻的粒子更难使用现有实验设备进行探测。在发表于7月2日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇论文中,萨卡尔及其牛津大学的同事麦兹·弗兰德森(Mads Frandsen)提出了另一种寻找这种更轻暗物质的方法:去太阳里找。

  因为较轻质量的暗物质相遇时不会相互湮灭,因此太阳应当可以收集到很多粒子,就如同滚雪球可以越滚越大一样。“太阳已经绕着银河系旋转了50亿年了,他会在运行过程中吸附很多的暗物质”,萨卡尔说。暗物质的集聚可以解决太阳物理中的一个困惑,即“太阳组分问题”。对太阳表面震动的精密观测显示太阳内部热量传导至表面所用的时间要比标准模型预计的时间短。而仅和同类粒子发生反应的暗物质的参与也许可以解释这一现象。常规物质的光子和粒子在它们向太阳表层运动时会相互碰撞,因此光和热要花上数十亿年的时间才能逃离太阳。但对暗物质而言,其他常规物质都虚若无物,因此它们在往太阳表层运动时遇到的阻力就小,也因此能更有效的传递热量。“当我们进行计算时,我们惊喜的发现这是正确的”,萨卡尔说,“暗物质可以传递足够的热量,从而解决太阳组分问题”。

  接下来,萨卡尔和弗兰德森计算了充斥暗物质的假设会对太阳释放出的中微子数量产生何种影响。他们发现中微子的流量将出现数个百分点的变化。这并不大,萨卡尔说,但却足以被两个不同的中微子探测器探测到——一个在意大利,叫“太阳中微子实验”(Borexino),另一个位于加拿大,叫萨德伯里中微子天文台(SNO+)——它们不久即将投入运行。“这是一个猜想,但却是可以验证的”,萨卡尔说。“而且用来验证它的设备很快就要完工了,我们不必为此等上20年。”关于轻质量暗物质影响太阳行为的想法“在我看来,并不十分离谱”,来自伊利诺伊州费米国家实验室的物理学家丹·霍普(Dan Hooper)说。“我看了他们的数据,看起来很不错。”

  来自暗物质探测器的一些令人困惑的结果暗示这些轻质暗物质也许已经被探测到了。今年早些时候,明尼苏达州一个矿井中的设备,相干锗中微子技术(CoGeNT)探测到一个7倍于质子质量的粒子信号,虽然目前还不能确定这是否是暗物质。而另一个位于意大利的设备“暗物质”(DAMA)也报告了类似的结果。

  “有说服力的证据正在不断累积”,那就是暗物质仅仅是几倍于质子质量的粒子,霍普说。“现在还不能下定论,但如果这些数据是正确的,也许明年我们就能更有把握一些了。”

  最新数据:常规的物质占宇宙物质密度的5%,暗物质占25%(5倍于常规物质)。剩下的70%是暗能量。