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如果目前的理论被证明是正确的,那么普通物质——所有我们能看到、闻到和触摸到的东西——仅占宇宙的一小部分,可能只有 4%。其余部分来自所谓的暗区:暗物质和暗能量,一种神秘而普遍存在的能量,被怀疑正在加速宇宙的膨胀。暗物质之所以得名,是因为它拒绝以我们可见的方式发射光或与光相互作用,其普遍程度几乎是普通物质的六倍。但是,尽管它无处不在,但它通常被贴上相当乏味的标签,有点像银河系的累赘,只能通过其引力来显现自身。
关于暗物质隐藏生命的新理论旨在彻底摆脱这种沉闷的形象。虽然暗物质可能与普通物质混合不多,但它可能会通过某种新的力——一种超出粒子物理学标准模型范围的力——与其他暗物质粒子共舞。
加州理工学院的一组研究人员提出,暗物质可能拥有自己的力,类似于电磁力——自然地,由“暗光子”介导。正如在普通电磁学中一样,这种力将在远距离起作用,并且光子(光能的离散单元)将是无质量的。正如研究合著者,加州理工学院物理学家肖恩·卡罗尔在博客Cosmic Variance上指出的那样,该理论为丰富的、尚未见过的暗辐射世界,甚至暗磁场和电场打开了大门。
这样的提议不仅仅是纸上谈兵的推测。“随着天体物理观测和模拟的改进,我们正在对星系如何形成的模型的预测与星系实际外观的观测结果进行越来越精确的比较,”卡罗尔说。“而现在,存在一些细微的差异。”他补充说,这些差异可能是由于不完善的测量造成的,或者“它们可能是因为完全不相互作用的暗物质的想法不够好,实际上存在影响星系形状的相互作用。”
“粒子物理学家至少早就知道暗辐射的可能性,”卡罗尔说,“但他们并没有认真对待它实际上可能会影响我们宇宙中的暗物质的想法。”(正如卡罗尔在Cosmic Variance上指出的那样,另一篇最近的论文,由物理学家和宇宙学家,加州大学欧文分校的乔纳森·冯合作撰写,也提出了暗光子的概念,尽管是在不同的理论框架中。)
在提交给物理评论 D 的另一篇论文中,普林斯顿高等研究院、哈佛大学和纽约大学 (NYU) 的一组研究人员也假设了一种新的暗力,这种力的作用范围要小得多,仅在核尺度上起作用。他们的理论首先试图解释来自我们银河系中心的大量伽马射线,这些伽马射线是由欧洲航天局的 Integral 卫星接收到的,与电子及其反粒子正电子(带正电的电子对应物)的湮灭相对应。
那些正电子来自哪里是一个悬而未决的问题。“超新星产生正电子,但数量远远不够,”研究合著者,哈佛大学天文学家道格拉斯·芬克拜纳说。他认为,在适当的情况下,暗物质可能符合要求。事实证明,在一种新的暗力的帮助下,相互作用的粒子可以交换掉一些动能来产生正电子-电子对,芬克拜纳和研究合著者,纽约大学物理学家尼尔·韦纳去年提出了这个提议。但是,来自 PAMELA 仪器的新数据,该仪器探测来自俄罗斯卫星的宇宙辐射中的反物质,揭示了仍然出乎意料地大量的正电子。因此,芬克拜纳和他的同事们改进了该理论以解释 PAMELA 的结果,重新定义了暗物质粒子如何湮灭成其他粒子。另一个太空观测站,美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜(原名 GLAST)将在不久的将来通过检查来自暗物质应该聚集区域的伽马射线类型来提供进一步的指导。如果该小组的理论是正确的,费米的结果“真的应该与人们对其他类型暗物质的预期有所不同”,芬克拜纳说。
这种模型的含义“层出不穷”,他说,并指出了黑洞的形成和星系团的加热,作为开端。“天体物理学中存在所有这些问题,似乎你需要更多的能量,几乎就像能量凭空出现一样,所以我们认为这可能就是其中涉及的原因。”
这并非首次提出作用于暗区的新力。在 2007 年 1 月于西雅图举行的美国天文学会会议上,纽约大学物理学教授格伦尼斯·法拉尔展示了研究结果,指出存在作用于暗物质的长程力,这种力将在宇宙中产生显着的可观测效应。法拉尔后来得出结论,该提议所依据的数字,与子弹星系团中星系亚团的速度有关,是不准确的。
芬克拜纳承认,像他们小组这样的理论常常会失败。但他引用已故普林斯顿大学宇宙学家大卫·威尔金森的话说,“你的大多数想法都是错误的,所以你应该尽快发现这一点,这样你就可以继续下一个想法。”无论正确的想法最终是什么,在物理学家发现最能描述宇宙的粒子和力的复杂舞蹈中,也许暗物质毕竟不会那么默默无闻。