猛烈轰击地球的神秘粒子，究竟从何而来？

作者：张馨予

在过去的十来年间，科学家注意到地球被反物质轰炸得次数比预期中要多得多，但这些反物质的源头却一直是个谜题。刚发表在《科学》杂志的最新一项研究中，科学家排除了一个主流的假设，并试图将其与构成宇宙27%的神秘未知物质——暗物质联系起来。

每一种普通物质的粒子都有一个反物质对应物，它们质量相等，但电荷相反。例如，带负电的电子的反粒子就是带正电荷的正电子，正电子构成了从外太空撞击地球大气层顶部的反物质。当一个粒子与它的反粒子相遇时，它们会相互湮灭，会释放出被称为伽马射线的高能光子。

在2008年，研究人员使用太空探测器PAMELA进行观测，发现在地球大气层中的正电子数量远远超过了理论所预测的[1]。这个结果后来被费米伽玛射线太空望远镜以及安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS-02）所证实。自那以后，天体物理学家便开始探索这些过量的正电子的来源。

一个主流的解释是：过量的正电子可能来自附近的脉冲星——一种快速旋转的大质量恒星的残骸。这些天体的强大磁场线会加速电子，导致它们会光子相撞，并制造出电子和正电子对。如果那些正电子获得了足够了速度和能量，它们就可以逃离脉冲星，在宇宙中传播，有时候部分正电子会刚好抵达地球。脉冲星并不是唯一的解释，另一个更大胆的推测是，这些过量的反物质实际上是暗物质粒子湮灭的副产物。

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○ 由300个水箱组成的HAWC伽玛射线天文台，帮助天文学家研究轰击地球的反物质粒子的来源。| 图片来源：Jordan A. Goodman

为了研究脉冲星是否能解决这个反物质之谜，一个国际研究小组对位于墨西哥城东部的HAWC伽马射线天文台的数据进行了分析。当湮灭的正电子产生的伽马射线撞击地球大气时，它们能撕裂原子，产生以趋近于光速的向下冲击的粒子流。当这些粒子流撞击在HAWC的300个波纹钢罐中的水时，会产生微弱的闪光。观测者可以对闪光进行探测和记录，从而推断出它们的能量，以及触发这些粒子级联的伽马射线的源头。

科学家将注意力放在源自于两个临近脉冲星——Geminga 和 PSR B0656+14——的伽马射线。这两颗脉冲星分别位于距地球815和950光年的地方，科学家一直怀疑它们极有可能产生轰击地球的正电子。研究人员把他们的发现详细发表在了11月17日的《科学》杂志中[2]。

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马里兰大学的粒子天体物理学家Jordan Goodman 和他的同事们使用HAWC来绘制由这些脉冲星的正电子产生的伽玛射线如何辐射到天空中的不同区块，每个区块约宽65光年。他们发现每颗脉冲星都被一团朦胧的“雾”笼罩着，正电子从中逃脱的机会相对较少。当正电子和宇宙微波背景辐射发生撞击时，能有助于产生这种伽马射线雾。通过绘制每个脉冲星周围的雾的范围，HAWC团队可以估算大部分正电子能够以多块的速度传播多远。他们的研究结果表明，这些脉冲星不能成为被AMS-02和之前实验中所测得的过量正电子的来源。

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○ HAWC天文台拍摄到两颗脉冲星周围的高能光子辐射。| 图片来源：HAWC Collaboration / Gregory H. Revera

即便如此，正电子的过量问题仍是天体物理学中最令人兴奋的秘密之一。或许这些正电子有着其他的天体物理来源，比如超新星残骸也可以产生正电子，又比如黑洞从临近伴星中吸取气体而产生的高能粒子。又或许它们的确是来自于脉冲星，但不知何故，它们通过太空抵达地球的路径比HAWC团队假设的更复杂。未来，当HAWC和即将启用的切伦科夫望远镜阵列收集到更多来自临近脉冲星的数据时，或许我们可以得到更加确定的结果。

Goodman 说，就目前而言，当谈到反物质奥秘的所有“嫌疑人”时，“唯一剩下的似乎就是暗物质。我们不能说AMS和PAMELA所探测到的是暗物质，只能说我们已经给其他主要嫌疑人——脉冲星——提供了不在场证明。”

参考来源：

[1] https://arxiv.org/abs/0810.4995

[2] A.U. Abeysekara et al. Extended gamma-ray sources around pulsars constrain the origin of the positron flux at Earth. Science. Vol. 358, November 17, 2017, p. 911. doi: 10.1126/science.aan4880.