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“悟空”的发现意味着什么?物理学家来解答
2017-12-01 23:58

 
  

 

北京时间11月30日凌晨2时,国际学术期刊《自然》在线发表了暗物质粒子探测卫星“悟空”的首篇科学论文。其最重要的发现就是首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1TeV处的“拐折”,并发现在1.4TeV处存在能谱精细结构的迹象。那么,这些发现意味着什么?这问题需要理论物理学家来解答。

  问题一:1TeV处的“拐折”意味着什么?

理论物理学家、中国科学院紫金山天文台研究员范一中介绍说,人类目前无法直接观测暗物质,只能通过探测电子宇宙线等间接手段来寻找暗物质的踪迹。“电子宇宙线可能源于脉冲星、超新星等天体,也可能源于暗物质湮灭或衰变。”

那么,如何区分电子宇宙线源,就成为探测暗物质的关键问题。范一中认为,解决这个问题可能就要靠“拐折”。范一中说,“悟空”首次直接测量到电子宇宙射线能谱在1TeV处的“拐折”,与之前地面暗物质探测实验的结论可以互相印证。他认为,这个“拐折”反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,如果能精确地了解其下降行为,对于判定能量低于1TeV的电子宇宙线是否来自暗物质起着关键性作用。

  问题二:1.4TeV处可能存在能谱精细结构说明什么?

“悟空”数据初步显示在1.4TeV处可能存在能谱精细结构,也就是超高能电子数量在1TeV附近产生“拐折”,在能谱分布上形成了一个尖锐的凸起。理论物理学家、中国科学院大学常务副校长吴岳良院士认为,这提供了暗物质粒子存在的一个可能的新证据。

吴岳良解释道:“理论上我们提出了可能产生这种尖锐能谱的两类方案:一类是在时间上能连续产生高能电子的天体,称为连续源;另一类是只能在短暂时间内产生高能电子的天体,称为短暴源。”连续源可以是暗物质形成的类点源,如由原初中等质量黑洞吸积暗物质而形成的高密度暗物质环,也可能是扩展源,比如由暗物质形成的子结构、暗物质子晕等。短暴源包括脉冲星云、超新星遗迹等。

分析表明,当产生高能电子的这些源为邻近源时,可解释“悟空”探测到的在1.4TeV附近的尖锐能谱,其宽度决定邻近源的距离。但是,这要求短暴源天体有不同于通常的幂律指数。因此,这个尖锐能谱最有可能是连续源的暗物质湮灭产生的,“但我们需要更多数据加以确定。如果未来我们能够确认这一精细结构,这将是暗物质存在的新证据”。

吴岳良表示,这只是对“悟空”数据分析的一些初步结论,理论物理学家们将持续分析这些数据,“或许我们能得到更多新发现”。

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