“暗光子”泄露暗物質天機？

參考消息網2月15日報道 美國趣味科學網站1月30日刊登題為《宇宙溫度略高于應有水平，這可能歸咎于“暗光子”》的文章，作者是紐約州立大學斯托尼布魯克分校教授保羅·薩特，內容編譯如下：

新研究聲稱，星系際云的溫度略高于應有水平，被稱為“暗光子”的理論上的粒子可以解釋這一點。

觀測結果顯示，我們宇宙中的星系際氣體的溫度略高于應有水平。最近，一個天體物理學家團隊利用復雜的計算機模擬提出了一個激進的答案：一種被稱為“暗光子”的奇特暗物質可能正在使這個地方升溫。

這些奇特粒子將會是正常物質不會經歷的一種新的、自然界第五種力的載體，但這些暗光子間或可以改變它們的身份，成為普通光子，從而提供熱源。

我們可以利用所謂的“萊曼α森林”觀測星系際氣體，從而發現這樣的暗光子。當我們觀測一個像類星體（由遙遠星系中心的黑洞驅動的發光天體）那樣的遙遠明亮天體發出的光時，來自這個遙遠天體的本該平穩連續的光譜中會存在一系列缺口。

原因如下：這種光必須通過數十億光年的氣體過濾才能到達我們這里。偶爾，這種光會穿過相對稠密的中性氫團。中性氫是一種由一個質子和一個中子組成的氫，會擴散到宇宙各處的氣體云中。

大部分光會不受影響地穿過，但一種特定波長的光會被吸收。這種波長對應的是把電子從氫原子內部的第一個能級撞擊到第二個能級所需的能量差。

當天文學家觀測來自該天體的光時，它看起來沒什么特別，只是在被稱為“萊曼α線”的特定能量躍遷的波長上存在一個缺口。

來自遙遠天體的光將穿過多個云層和中性團塊。宇宙的膨脹導致這些缺口向不同的波長紅移，新的缺口會出現在一個不同波長上，這取決于與特定氣體云的距離。最終的結果是“森林”：光譜中的一系列線和缺口。

這些“萊曼α”缺口也可以用于測量每一個氣體云的溫度。如果中性氫是完全靜止的，那么這一缺口將看起來是一條極細的線。但如果單個分子正在移動，那么由于這些分子的動能，缺口就會變寬。氣體越熱，分子的動能就越大，缺口也就越寬。

在《物理評論快報》周刊去年11月刊登的一篇研究報告中，一個天體物理學家團隊指出，通過這種方法，他們發現星系之間散布的氣體云似乎有點溫度過高。對那些氣體云的演變過程進行的計算機模擬預測它們的溫度會比我們觀測到的要略低一點，因此或許有某種東西正在令那些云溫度升高，而這種東西目前在我們的天體物理模擬中沒有被考慮到。

研究報告的作者稱，這種差異的一個可能解釋是宇宙中“暗光子”的存在。這是一種有待證實的暗物質形式。作為一種神秘的、看不見的物質，暗物質在宇宙中約占80%的質量，但似乎不會與光相互作用。

由于天文學家目前對暗物質的身份不甚了解，因此，關于它是什么這個問題存在諸多可能性。在這一模型中，它并非由不可見粒子構成的暗物質，而是由一種新型力的載體構成，即一種促進其他粒子間相互作用的粒子。

為人們所熟悉的光子是電磁的力載體——它帶來了電、磁和光。暗光子將成為自然界一種新的力的載體，這種力不會以通常的尺度出現在通常的情境中（例如，在我們的實驗室或太陽系內，在那些地方我們本該已經觀測到它）。

研究報告的作者說，暗光子仍有少量質量，因此它們仍可以用來解釋暗物質。此外，由于它們是力的載體，它們還可能與其他潛在的暗物質粒子相互作用。在天體物理學家團隊研究的模型中，暗光子還有一項能力：它們偶爾能變成普通光子。

從物理學上講，暗光子可以與普通光子“混合”，在極少數情況下交換身份。當它們這樣做時，新產生的光子會繼續做普通光子一直會做的事情：加熱。研究人員有史以來首次模擬了宇宙演化，包括這些能變形的暗光子的影響。他們發現，暗光子質量的特定組合和變為普通光子的可能性可以解釋加熱方面的差異。

這一結果遠不能確切解釋暗光子的存在。一系列可能性也可以解釋“萊曼α”結果，比如觀測不準確或者對（正常的）星系間天體物理加熱問題的理解不準確。但這是一個有趣的線索，這些研究結果可以作為一個跳板，幫助人們繼續探索這一奇異想法的可行性。