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宇宙最大天体发出怪异信号 无法用已知物理学解释

发布时间:2019-04-04 10:39:37  作者:漫步宇宙  来源:漫步宇宙  阅读:93

      英仙座星系团距地球大约2.5亿光年,是宇宙内已知质量最大的天体之一 。你可以将它想象成一个包裹着大量原子的气云,每个原子就是一个完整的星系。这个星系团拥有超热等离子体构成的“大气”,蕴藏着很多未解之谜。在对英仙座星系团进行细致观测时,科学家发现了无法用已知物理学解释的怪异信号。
    宇宙最大天体发出怪异信号 无法用已知物理学解释
      NGC 1275星系和英仙座星系团中央区域
      2014年7月,哈佛大学天体物理学中心的伊斯拉·布尔比尔不由发出这样的感慨:“当时我简直不敢相信自己的眼睛。”在对英仙座星系团进行观测时,布尔比尔所在的研究小组发现一个怪异信号,似乎不来自于英仙座星系团X射线光谱中探测到的任何已知物质类型。她说:“根据我们的最初判断,我们发现的信号无法用已知物理学解释。”
      借助钱德拉X射线望远镜,布尔比尔和十几位科学家组成的研究小组对英仙座星系团进行观测。布尔比尔表示:“这个星系团的‘大气’充斥着离子,在X射线光谱中形成“凸起”或者“线”,我们可以借助钱德拉进行测绘。”2012年,在添加钱德拉望远镜的观测数据后,布尔比尔吃惊地发现原本不该有“线”的地方出现了一条“新线”。“这条3.56千电子伏光谱线不与任何已知原子跃迁相对应。这是一项令人惊异的发现。”
    宇宙最大天体发出怪异信号 无法用已知物理学解释
      钱德拉望远镜捕获的英仙座星系团中央区域影像
      最初,布尔比尔也不敢相信。她说:“我用了很长时间才让自己相信,这条线既不是探测器零部件导致,也不是一条已知的原子光谱线。我进行了详细核实,重新分析数据。我将数据分成不同的子群,而后与其它探测器获取的数据进行比对。所有这些努力都无法让这条线消失。”
      在对另外73个星系团的X射线辐射进行分析时,布尔比尔的团队发现了同样的光谱信号,从而进一步证实了这条线的存在。分析所用数据由欧洲的XMM-牛顿X射线望远镜获取。在布尔比尔的团队在线发表论文后一周,荷兰莱登大学的阿列克谢·博亚斯基领导的研究小组公布了相同光谱线的证据。在对XMM-牛顿望远镜的仙女座星系观测数据进行分析时,他们发现了证据。此外,他们还证实英仙座星系团的外侧存在这样的谱线。
    宇宙最大天体发出怪异信号 无法用已知物理学解释
      XMM-牛顿X射线望远镜
      这条光谱线似乎不来自于任何已知物质类型。为此,科学家将怀疑的目光投向暗物质。布尔比尔表示:“在我们递交论文后,理论学家提出了大约60种不同的暗物质类型能够解释这条线。一些粒子物理学家甚至开玩笑,不如就把这种粒子称之为‘布尔比尔子’。”
      能够产生这种光谱线的候选暗物质包括轴子、惰性中微子和所谓的“模量暗物质”。天文学家认为需要建造一架新的望远镜才有可能揭开这个谜团。2015年,日本航天机构发射先进的X射线望远镜Astro-H,上面装备了美国宇航局和威斯康星大学科学家共同研制的新型X射线探测器。Astro-H能够对这条神秘谱线进行更精确的测量。
    宇宙最大天体发出怪异信号 无法用已知物理学解释
      通过一项新研究,天文学家获取了暗物质身份的线索。这项新研究或许能够解释钱德拉望远镜、XMM-牛顿望远镜以及日本牵头的HitomiX射线望远镜的观测发现。如果未来的观测证实这项研究,意味着科学家在了解暗物质特性方面向前迈进一大步。研究领导人、牛津大学的约瑟夫·康伦表示:“我们认为这个结果要么极为重要,要么一无是处。暗物质是科学界面临的最大谜团之一。在寻找答案的过程中,我不认为存在一个中间点。”
      2016年,Hitomi望远镜未能在英仙座星系团观测到3.5千电子伏光谱线。研究论文合著者、牛津大学的弗朗西斯卡·戴指出:“你可能认为由于Hitomi未能发现3.5千电子伏光谱线,我们对这条线的研究将遭遇失败,但我并不这么认为。与任何精彩的故事一样,总会出现一些有趣的情节。”
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      英仙座星系团合成图像
      康伦和同事指出Hitomi望远镜获取的图像要比钱德拉模糊得多,它的英仙座星系团观测数据混合了两个源头的X射线信号——包裹英仙座星系团中央大星系的炙热气体以及这个大星系中央超大质量黑洞附近的X射线辐射。钱德拉望远镜能够将这两个源头的影响分离。鉴于此,布尔比尔等人从他们的分析中剔除点源——包括超大质量黑洞附近物质的X射线——进而分离出来自炙热气体的X射线信号。
      为了确定这种分离能否起作用,牛津大学的团队重新分析了钱德拉2009年的观测数据,最终得出了惊人发现。根据他们发现的证据,3.5千电子伏X射线处于“赤字”状态,而不是“过剩”。这说明英仙座星系团的某些成员吸收这一特定能量水平的X射线。研究人员对Hitomi的光谱观测进行模拟,在将这条吸收线加入钱德拉和XMM-牛顿观测到的炙热气体辐射线后,他们并未在合成光谱中发现3.5千电子伏X射线吸收或者辐射证据。这与Hitomi望远镜的观测结果相符。
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      业余观测设备捕捉到的英仙座星系团
      这给解释这种行为带来挑战:对黑洞进行观测时发现3.5千电子伏X射线吸收;对远离黑洞的炙热气体进行观测时则发现同样能量水平的X射线辐射。根据牛津大学的新研究,在对英仙座星系团中央超大质量黑洞周围区域进行观测时,科学家发现3.5千电子伏X射线吸收。这说明暗物质粒子同时吸收和辐射X射线。如果新模型是正确的,将为科学家提供一条确定暗物质特性的途径。接下来,天文学家需要借助当前的X射线望远镜以及未来建造的望远镜对英仙座星系团以及类似星系团进行进一步观测。
      牛津大学研究小组在他们的报告中指出,暗物质粒子可能像拥有两种能量态的原子,3.5千电子伏则是两种能量态的分割点。如果是这种情况,在对黑洞进行近距离观测时可能发现3.5千电子伏X射线吸收;对远离黑洞的英仙座星系团炙热气体进行观测时,则会发现同等能量水平的X射线辐射。
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      英仙座星系团与处女座星系团对比图
      研究论文合著者、牛津大学的尼古拉斯·詹尼斯表示:“我们并不是在描绘一幅简单的图画,而是有可能找到一种方式,既能解释来自英仙座星系团的不寻常X射线信号,同时又能获得暗物质身份的线索。”
      为了书写这个故事的下一章,天文学家需要对英仙座星系团以及类似星系团进行进一步观测。他们需要获取更多数据以进一步证实3.5千电子伏光谱线的存在,同时排除“出人意料的仪器影响”和“统计学角度的不可能性”。钱德拉望远镜、XMM-牛顿望远镜以及未来的X射线望远镜将继续对星系团进行观测,以帮助科学家揭开暗物质的谜团。