“暗光子”泄露暗物质天机？

本文转自：参考消息网

美国趣味科学网站1月30日刊登题为《宇宙温度略高于应有水平，这可能归咎于“暗光子”》的文章，作者是纽约州立大学斯托尼布鲁克分校教授保罗·萨特，内容编译如下：

新研究声称，星系际云的温度略高于应有水平，被称为“暗光子”的理论上的粒子可以解释这一点。

观测结果显示，我们宇宙中的星系际气体的温度略高于应有水平。最近，一个天体物理学家团队利用复杂的计算机模拟提出了一个激进的答案：一种被称为“暗光子”的奇特暗物质可能正在使这个地方升温。

这些奇特粒子将会是正常物质不会经历的一种新的、自然界第五种力的载体，但这些暗光子间或可以改变它们的身份，成为普通光子，从而提供热源。

我们可以利用所谓的“莱曼α森林”观测星系际气体，从而发现这样的暗光子。当我们观测一个像类星体（由遥远星系中心的黑洞驱动的发光天体）那样的遥远明亮天体发出的光时，来自这个遥远天体的本该平稳连续的光谱中会存在一系列缺口。

原因如下：这种光必须通过数十亿光年的气体过滤才能到达我们这里。偶尔，这种光会穿过相对稠密的中性氢团。中性氢是一种由一个质子和一个中子组成的氢，会扩散到宇宙各处的气体云中。

大部分光会不受影响地穿过，但一种特定波长的光会被吸收。这种波长对应的是把电子从氢原子内部的第一个能级撞击到第二个能级所需的能量差。

当天文学家观测来自该天体的光时，它看起来没什么特别，只是在被称为“莱曼α线”的特定能量跃迁的波长上存在一个缺口。

来自遥远天体的光将穿过多个云层和中性团块。宇宙的膨胀导致这些缺口向不同的波长红移，新的缺口会出现在一个不同波长上，这取决于与特定气体云的距离。最终的结果是“森林”：光谱中的一系列线和缺口。

这些“莱曼α”缺口也可以用于测量每一个气体云的温度。如果中性氢是完全静止的，那么这一缺口将看起来是一条极细的线。但如果单个分子正在移动，那么由于这些分子的动能，缺口就会变宽。气体越热，分子的动能就越大，缺口也就越宽。

在《物理评论快报》周刊去年11月刊登的一篇研究报告中，一个天体物理学家团队指出，通过这种方法，他们发现星系之间散布的气体云似乎有点温度过高。对那些气体云的演变过程进行的计算机模拟预测它们的温度会比我们观测到的要略低一点，因此或许有某种东西正在令那些云温度升高，而这种东西目前在我们的天体物理模拟中没有被考虑到。

研究报告的作者称，这种差异的一个可能解释是宇宙中“暗光子”的存在。这是一种有待证实的暗物质形式。作为一种神秘的、看不见的物质，暗物质在宇宙中约占80%的质量，但似乎不会与光相互作用。

由于天文学家目前对暗物质的身份不甚了解，因此，关于它是什么这个问题存在诸多可能性。在这一模型中，它并非由不可见粒子构成的暗物质，而是由一种新型力的载体构成，即一种促进其他粒子间相互作用的粒子。

为人们所熟悉的光子是电磁的力载体——它带来了电、磁和光。暗光子将成为自然界一种新的力的载体，这种力不会以通常的尺度出现在通常的情境中（例如，在我们的实验室或太阳系内，在那些地方我们本该已经观测到它）。

研究报告的作者说，暗光子仍有少量质量，因此它们仍可以用来解释暗物质。此外，由于它们是力的载体，它们还可能与其他潜在的暗物质粒子相互作用。在天体物理学家团队研究的模型中，暗光子还有一项能力：它们偶尔能变成普通光子。

从物理学上讲，暗光子可以与普通光子“混合”，在极少数情况下交换身份。当它们这样做时，新产生的光子会继续做普通光子一直会做的事情：加热。研究人员有史以来首次模拟了宇宙演化，包括这些能变形的暗光子的影响。他们发现，暗光子质量的特定组合和变为普通光子的可能性可以解释加热方面的差异。

这一结果远不能确切解释暗光子的存在。一系列可能性也可以解释“莱曼α”结果，比如观测不准确或者对（正常的）星系间天体物理加热问题的理解不准确。但这是一个有趣的线索，这些研究结果可以作为一个跳板，帮助人们继续探索这一奇异想法的可行性。