（圖片來源：站酷海洛【shutterstock】）

這個來自天體物理學(xué)家的想法或許可以解開兩大理論謎團(tuán)：其一是銀河系中心為什么會向外輻射大量奇異的超高能射線？其二是自從50年前被發(fā)現(xiàn)就一直困擾人類至今的所謂看不見的暗物質(zhì)，到底是什么？

這個想法有一個特別炫酷的名字——引力之門理論。該理論認(rèn)為，當(dāng)兩個暗物質(zhì)粒子（先不論暗物質(zhì)是什么）被吸入引力之門時，它們會相互湮滅并釋放大量的強(qiáng)伽馬射線。

該理論的思路潛在解釋了為什么銀河系的中心——大家普遍認(rèn)為那里滿是潛伏的暗物質(zhì)團(tuán)——有那么多伽馬射線。同時，這個理論也將揭示暗物質(zhì)的運(yùn)動規(guī)律，以及暗物質(zhì)與宇宙間普通物質(zhì)的碰撞交流。

暗物質(zhì)到底是什么？

宇宙中有80%以上的物質(zhì)都沒有辦法用粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型來解釋?？茖W(xué)家稱之為“暗物質(zhì)”，因?yàn)檫@些物質(zhì)不和光發(fā)生任何反應(yīng)。1970年，暗物質(zhì)的存在被首次提出，當(dāng)時的天文學(xué)家維拉.魯賓（Vera Rubin）發(fā)現(xiàn)星系旋轉(zhuǎn)的速度比預(yù)想要快得多——如果沒有額外的、隱藏的引力加成，在如此高速的運(yùn)轉(zhuǎn)下，這個星系早在億萬年前就撕裂了。

幾十年來，天文學(xué)家們對是否需要改變以往對重力的認(rèn)識舉棋不定，也不知道是否要把“存在但確實(shí)看不見”的物質(zhì)加入對宇宙的認(rèn)識中，或者換一種說法——把一種全新的構(gòu)成宇宙的物質(zhì)囊括到已有的類別中。但隨著時間的流逝，大量的觀察考證之后，答案漸漸清晰。沒有任何一個打過補(bǔ)丁的重力理論可以解釋所有的現(xiàn)象。物理學(xué)家們對宇宙中正態(tài)物質(zhì)的范圍進(jìn)行了嚴(yán)格的限制（光、暗和介于兩者之間的一切物質(zhì)）。

接下來，只有暗物質(zhì)能夠解釋飛速旋轉(zhuǎn)的星系了，這將是一種全新的粒子，特性未知。它不與光發(fā)生相互反應(yīng)，不然我們就可以看到這種物質(zhì)的存在了。它也不和強(qiáng)原子核力發(fā)生反應(yīng)，不然它就會和粒子們組合成為物質(zhì)，科學(xué)家就可以在原子實(shí)驗(yàn)中檢測到它的存在。暗物質(zhì)或許會和弱原子核力發(fā)生反應(yīng)，但弱原子核力太過微弱，影響的范圍太小，以至于觀察預(yù)期結(jié)果的任何偏差都極具挑戰(zhàn)性。

也許此刻，就有無數(shù)的看不見的暗物質(zhì)粒子悄無聲息穿過你的身體。

然而，暗物質(zhì)的引力使它最終被世人發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橛钪嬷忻恳粋€質(zhì)量體都具有引力，這是自然定律。所以要了解暗物質(zhì)，萬無一失的方法就是通過觀察其與正常物質(zhì)的引力相互作用，例如星系中恒星的運(yùn)動。

但這或許不是唯一的方法。

什么是超能電子

發(fā)表在arXiv預(yù)印數(shù)據(jù)庫的一篇報告指出，物理學(xué)家提出一項(xiàng)全新的理論來解釋“何為暗物質(zhì)”和“暗物質(zhì)如何運(yùn)作”的難題。但在了解他們的理論之前，我們需要介紹一點(diǎn)能幫助我們理解暗物質(zhì)的線索。這些線索來自銀河系中心散射出的超量伽馬射線的形態(tài)。

伽馬射線是輻射的最高能量形態(tài)。我們通常只會在一些高能量活動中找到他們的身影，比如超新星的形成。但是在銀河系中心的伽馬射線只多不少，鑒于這原本是十分罕見的災(zāi)難性事件。故而這項(xiàng)新理論提出，伽馬射線可能是高能電子運(yùn)動的副產(chǎn)物。

這些高能電子，又叫做“輕子”，比伽馬射線更容易產(chǎn)生，來源未知，遍布整個銀河系。這些電子無法被檢測出（它們太小太小），但當(dāng)它們在星際空間穿行時，不經(jīng)意間會撞上隨機(jī)的光子（光粒子）。

溫和且低能量的光粒子與強(qiáng)侵略性的高能電子相撞，撞擊使光粒子獲得了大量的能量，甚至開始輻射出我們能看見的伽馬射線。

這些撞擊解釋了伽馬射線的來源。但這些高能電子又是來自于何處呢？

穿越引力之門

讓我們回顧一下已掌握的知識。第一，暗物質(zhì)可以通過重力表現(xiàn)出來。第二，銀河系中心大量的伽馬射線來自于無處不在的高能輕子。第三，因?yàn)殂y核擁有最大的物質(zhì)密度，所以我們合理推測那里也是暗物質(zhì)的聚集中心。

這是巧合？還是故意為之？

前兩個現(xiàn)象之間的聯(lián)系有一個恰如其分的名字：輕子引力門。這個理論由中國天提粒子物理學(xué)主要實(shí)驗(yàn)室的孫旭東和戴本忠教授在其發(fā)表于arXiv的論文中得以完善。該論文還沒有經(jīng)過同行評審。

讓我們從“引力門”的部分開始。只要我們理解什么是引力——一種吸引物體的力。地球吸引月亮，太陽吸引地球，銀河系里的恒星互相吸引……這樣的例子還有很多。引力在吸引物體方面確實(shí)一絲不茍。

所以，從表面上來看，暗物質(zhì)也在引力的束縛之中。

但是人們對引力的認(rèn)識是不全面的。物理學(xué)對引力的解釋是適用于大型物體的，卻沒有一種所謂的“量子引力學(xué)”，可以解釋極微小物體的引力作用。在這個領(lǐng)域，引力也會能帶給我們一些未知的驚喜。

一些另外的自然力量能夠持續(xù)消滅、轉(zhuǎn)化和創(chuàng)造粒子。例如，弱核力可以將質(zhì)子變成中子，引發(fā)放射衰變。粒子及其反粒子可以通過電磁力連接，在輻射爆發(fā)中相互湮滅。

因此，在極端情況下，重力也許可以使兩個暗物質(zhì)粒子聚集在一起并摧毀它們，將它們變成其他物質(zhì)。

根據(jù)研究者們描繪出來的理論模型，也許這些暗物質(zhì)粒子轉(zhuǎn)化為輕子。因此在這個名字的“l(fā)eptophilic”的部分，意思就是“l(fā)epton-loving”（傾向于輕子）。

根據(jù)這個新理論，暗物質(zhì)粒子有時的互相湮滅，最大可能是通過引力的偶然互相作用。這些偶然相互作用在物理學(xué)術(shù)語中被稱為“引力之門”，并為粒子僅僅通過重力相互作用提供了一種方式。那次碰撞的產(chǎn)物是高能電子。這些碰撞在銀河系中心會更常見，那里的暗物質(zhì)密度可能也是最高的。然后，這些電子會在宇宙中持續(xù)遨游，最終撞擊低能光子，散發(fā)出伽馬射線，形成我們所觀察到的銀河系中心的大量射線。

不得不承認(rèn)，這個想法有點(diǎn)夸張。但鑒于物理學(xué)家在鑒別暗物質(zhì)方面一直不能突破，新的想法總是受歡迎的。該理論與觀測到的大量伽馬射線的情況是互相匹配的。但是，一旦大門被打開，承認(rèn)暗物質(zhì)粒子轉(zhuǎn)化為正態(tài)物質(zhì)（在這種情況下是輕子），必須用更多的理論工作來尋找證明該理論的其他方法。

BY:Paul Sutter

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