一個奇怪的現象:整個宇宙在發「低燒」,但科學家卻找不到原因

2023-01-30     星空天文

原標題:一個奇怪的現象:整個宇宙在發「低燒」,但科學家卻找不到原因

到達地球的每一個光子背後,都有一個黑影?

一個包含大量暗物質(紫色區域)的星系團NASA

觀測結果顯示,我們宇宙星系之間的氣體——亦即所謂星系際氣體的溫度比理論值高出了那麼一點。天體物理學家通過計算機模擬對這個異常的宇宙「低燒」現象作出了解釋:他們認為,這是因為宇宙中存在一種奇特的「暗光子(dark photons)」。

根據假說,「暗光子」是暗物質的一種形態,它們承載著宇宙間的第五種基本作用力。而這「第五種力」是普通物質間所沒有的。但在非常罕見的情況下,「暗光子」會轉化成常規光子,並產生額外的熱量。

研究人員認為,我們可以通過觀測星系際氣體氫發射線中的「萊曼-阿爾法叢林( Lyman-alpha forest)」來尋找這些「暗光子」。

「萊曼-阿爾法叢林」指的是在類星體的光譜中,位於氫「萊曼-阿爾法」發射線短波側的密集吸收線叢。

之所以會出現所謂的「萊曼-阿爾法森林」,是因為來自遙遠宇宙的光在飛越數十億光年的空間時,會穿越大量的氣體。在某些時候,這些光會穿越密度較大的中性氫雲團。光子中的大部分會不受影響地穿越而過,但部分波長非常特殊的光子會被吸收,並在光譜中留下「缺失」,亦即吸收線。光子在穿越過程中,會穿越多處這樣的中性氫團塊。在宇宙的膨脹的影響下,不同雲團留下的吸收線會紅移到不同的波段上,進而在譜線中的短波側留下一系列密集的吸收線叢或空隙,和分布在該發射線長波側的稀少譜線形成鮮明對比,看起來就如同「叢林」一般。

利用「萊曼-阿爾法叢林」,科學家可以測量宇宙間氣體雲的溫度。假如中性氫氣體雲很穩定,溫度很低,那麼它的吸收線就是細長的一條;假如它內部的粒子在劇烈運動,包含很多動能,溫度很高,那麼吸收線就會非常寬。也就是說吸收線越寬,與其對應的氣體雲內部粒子的運動就越劇烈,溫度就越高。

研究人員使用這種方法,對宇宙間一系列氣體雲的溫度進行了測量,結果發現那些分散在星系之間的氣體雲溫度比計算機模擬結果高出了那麼一點。這表明宇宙間可能存在著某種未知的熱源,正在加熱這些氣體雲。

研究人員表示並不能確定這種熱源是什麼,但一種可能是宇宙間存在著所謂的「暗光子」。

「暗光子」是「暗物質」的一種假想形態。宇宙間存在著一種非常神秘的現象,即宇宙質量總和的大約80%失蹤了。這部分質量所產生的引力依然存在,它們維繫著宇宙結構,但產生這些引力的物質卻了無蹤跡。用物理學的語言來說,是它們「不和光相互作用」。

「暗物質」是一個謎,因此針對它的假說非常多。一種假說認為,「暗物質」是一種新基本作用力的載體——也就是是一種負責在其他粒子之間傳遞基本作用力的特殊粒子。

我們熟悉的「光子」就是一種力的載體,它負責傳遞電磁力。光子能創造電、磁和光。而這些研究人員假想中的「暗光子」則是一種新基本作用力的載體,這種力不在常規尺度和常規場景中運作。

研究人員稱,「暗光子」是有質量的,因此它們可能就是「暗物質」的一種。但由於它們同時也是力的載體,因此它們自身之間可能會相互作用,也可能會與其他類型的暗物質粒子(如果存在)相互作用。而根據研究人員提供的模型,「暗光子」在某種特殊的條件下,還會偶發性地轉化成常規光子。

也就是說,「暗光子」可能會和常規光子「混合」在一起,並偶發性地轉化成常規光子。而轉化一旦發生,新形成的光子就會表現出常規光子的特性,產生額外的熱量。

研究人員通過計算機模擬了宇宙的演化,在將「暗光子」的轉化因素考慮進去後,他們發現剛好能夠解釋宇宙模型預言的星系際氣體溫度,與實際觀測到的星系際氣體溫度之間的差異。

該研究結果遠非定論,宇宙發「低燒」的原因依然存在其他合理的解釋。但這種「開腦洞」式的探索是有一定意義的。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/a24a81ca254dafe6111f3d8f5c982b17.html