反物质星球在哪里?

其中的关键在于反氦-4(Antihelium-4)原子核

物质(matter)与反物质(antimatter)相遇,在瞬间它们就会发生湮灭(annihilation),所有物质都化为乌有,全都转化为巨大的能量,这种巨大的能量将摧毁附近的一切……

这样的场景不止一次出现在科幻小说家创作的情节中。在科幻世界里,物质与反物质相互湮灭所产生的巨大能量可以作为动力源,也可以成为一种可怕的武器;甚至有人幻想,由物质和反物质组成的天体相遇,彼此在瞬间发生湮灭,形成一场宇宙浩劫……

真正的问题在于,反物质究竟在哪里?根据人类目前所勾画的宇宙模型,在宇宙大爆炸的初期,应该产生出了同等数量的物质与反物质。可是这两种性质完全相反的物质只要相互接触就会发生湮灭。如果这两种物质的数量完全相等,那么在宇宙产生的初期,物质与反物质就应该同归于尽,整个宇宙就只剩下辐射而已。

这与人类所观测到的宇宙大不相同。人类目前所观测到的宇宙主要由物质构成,人类也是到了 20 世纪才意识到反物质的存在。目前除了实验室里可以制造出极少量的反物质之外,也只能在宇宙射线中发现极其微量的反物质粒子,它们与人类观测到的普通物质的数量根本不成比例。当然,这也是人类仍然能够存在的原因之一。如果在宇宙中存在着大量反物质,那么我们所处的宇宙环境将充满了爆炸和高能辐射。

反物质究竟在哪里?宇宙中究竟存不存在完全由反物质构成的天体?这算是现代物理学最大的谜题之一。有人认为,在宇宙大爆炸发生之后,又出现了某种目前人类还不理解的物理现象,破坏了物质与反物质之间的对称,使物质大量保留了下来,而反物质则消耗殆尽。也有人认为,反物质一定大量存在于宇宙中的某处,只是因为距离我们太过遥远,所以人类至今还没有观测到它们的存在。

那么,究竟会不会存在着某种天体,完全由反物质构成?换句话说,如果在银河系里就有完全由反物质构成的天体,人类该怎样去发现它们?其中的关键在于反氦-4(Antihelium-4)原子核——也就是氦-4 原子核的反物质。2011 年,科学家们在美国布鲁克海文国家实验室通过相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider)首次制造出了反氦-4 原子核。从反氦-4 原子核的产生过程中,科学家们推断出,如果能够在太空中探测到反氦-4 原子核的存在,那么它一定是只能产生于一个反物质星球内部的核聚变反应。

2011 年 5 月 16 日,奋进号航天飞机把阿尔法磁谱仪(AMS-2)送上了国际空间站(ISS),开始了它探测宇宙射线、研究暗物质和反物质的科学旅程。到了 2018 年,负责阿尔法磁谱仪的科学团队宣布,在宇宙射线中发现了 8 个疑似反氦原子核的信号——其中 6 个是反氦-3 原子核,2 个是反氦-4 原子核。对于这些尚未得到完全确认的探测信号,人们最初把它们解释为宇宙射线与星际物质相互碰撞的产物,但也有学者认为,宇宙射线与星际物质相互碰撞产生出反氦原子核的概率极低,更有可能的是,它们来自于反物质星球。

首先从阿尔法磁谱仪在太空中的探测结果来看,宇宙射线中存在的反物质数量极低——大约每发现 1 亿个氦原子核才会发现 1 个反氦原子核。这说明银河系中的绝大部分都是由物质构成的。但是不可排除的一种可能是,在银河系数以千亿计的星球中,或许存在着完全由反物质构成的星球。尽管现在还缺少关键证据,但或许可以通过现有的证据发现反物质星球的蛛丝马迹。

2021 年 4 月 20 日,图卢兹大学的三位学者西蒙・杜普尔克(Simon Dupourqué)、路易吉・蒂巴尔多(Luigi Tibaldo)和彼得・冯・鲍尔穆斯(Peter von Ballmoos)在《物理评论 D》(Physical Review D)杂志发表论文《由费米广域天文望远镜 10 年伽马射线源目录得出的太阳系附近反物质星球比率限定》(Constraints on the antistar fraction in the Solar System neighborhood from the 10-year Fermi Large Area Telescope gamma-ray source catalog),报告他们的研究成果。

如果在银河系中真的存在完全由反物质构成的星球,因为星球之间相互距离较远,它们可能并不会与由普通物质构成的星球发生直接碰撞,进而发生巨大的爆炸。但是反物质星球因为自身的引力,一定会把附近的星际物质吸引到附近,围绕着反物质星球运转。在引力的作用下,这些星际物质一旦坠入反物质星球,就会发生湮灭,进而产生出能量巨大的伽马射线。从这个思路出发,从银河系中的伽马射线源中就有可能发现反物质星球的踪迹。

这几位研究者整理了美国航空航天局(NASA)的费米广域天文望远镜 10 年间的探测数据,分析了太空望远镜在银河系中发现的 5787 个伽马射线源,通过对某个特定的能量区域进行筛选,从中发现了 14 个候选者。他们认为,这些伽马射线的来源所指向的星球,都有可能是由反物质构成。

在扁平状的银河系,上千亿的星球中如果真的存在完全由反物质构成的星球,通过计算可以得出,大约每 40 万个普通物质构成的星球对应 1 个反物质构成的星球。从另一个角度来看,在宇宙发展的后期,反物质更容易与物质接触发生湮灭。也就是说,如果反物质星球真的存在,那么它更可能形成于宇宙早期。如果反物质星球都是诞生于宇宙早期,那么它们就应该大部分位于银河系中最古老的银晕(galactic halo)区域,在这个区域可能是每 5 个普通物质星球对应 1 个反物质星球。

可以说,目前对于反物质星球的研究还处于最初的猜测阶段。人类还需要进行更多的探测,取得更多切实的证据来对这个猜测进行证实或证伪。在宇宙中发射伽马射线的原因有很多,所以更大的可能性是目前发现的这 14 个可疑的天体全都是由普通物质构成的天体。人类毕竟距离这些天体太过遥远,想要弄清它们的构成非常困难。想要寻找反物质星球,人们还需要探测到更多的反氦-4 原子核,并且尽量追溯它们的来源。如果有一天人类真的发现了反物质星球,这必将再一次改变我们对宇宙的认知

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