科学家们正致力于寻找宇宙最开端留下的反物质证据。然而，从NASA钱德拉X射线太空望远镜（Chandra X-ray Observatory）和康普顿伽马射线观测器（Compton Gamma Ray Observatory）最新数据中得出的结论表明，寻找反物质的努力可能会变得更加困难。相关论文发表在《宇宙论与天体粒子物理学杂志》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上。

 

众所周知，反物质基本粒子与物质粒子比如质子、中子、电子的质量相同，但电性和磁性恰好相反。物质和反物质粒子碰撞时会发生湮灭，并根据E=mc²产生出能量（大多是伽马射线形式）。

 

根据大爆炸模型，宇宙在大爆炸后很短的时间内充斥着物质和反物质的粒子，它们绝大多数都发生了湮灭，但由于自发对称性破缺，物质粒子比反物质粒子稍多一点（不到十亿分之一），因此最后只有物质留了下来，至少在局部宇宙中是这样。

 

科学家相信，由黑洞和类星体导致的剧烈现象比如相对论喷流（relativistic jets），可以产生反物质的痕量。不过，到目前为止，还没有发现任何关于从婴儿期宇宙残留下来的反物质证据。

 

在大爆炸之后的几分之一秒内，宇宙发生了指数级的暴涨。那么原始的反物质如何残留下来？论文作者、美国俄亥俄州立大学的Gary Steigman表示，“如果在暴涨之前，物质团和反物质团是彼此靠近存在的，那么它们现在彼此相隔的距离可能已经超过了可观测宇宙尺度。因此，人们或许永远看不到它们相遇。不过，它们也有可能分隔在更小的尺度上，比如星系团或者超星系团，这是一种更为有趣的可能性。”

 

在这种情况下，作为宇宙中最大的引力束缚体系，两个星系团之间的碰撞就有可能带来反物质的证据。X射线表明了有多少热气体参与了碰撞过程，而如果来自某个星系团的气体中存在有反物质粒子，那么碰撞中就会发生湮灭，导致X射线中夹杂有伽马射线。

 

钱德拉和康普顿望远镜的观测正是基于上述原理，它们的实际研究对象是宇宙中以极端高速彼此碰撞的星系团，也就是所谓的“子弹星团”（Bullet Cluster）。可以说，子弹星团为寻找反物质信号提供了极佳的试验场。Steigman说，“这是迄今为止对反物质此类检测中的最大尺度。”

 

不过，钱德拉望远镜观测到的X射线量和康普顿望远镜没有探测到伽马射线的数据说明，反物质在子弹星团中的比例不到百万分之三。此外，对子弹星团合并的模拟研究表明，新的观测结果排除了在大约6500万光年的范围内存在大量反物质的可能性，这一距离是对两个碰撞星系团最初分隔距离的估计。

 

Steigman表示，“物质和反物质的碰撞时宇宙中产生能量最高效的过程，但或许这不在很大的尺度上发生。不过，我还没有放弃，我正打算关注新近发现的其他一些碰撞星系团。”

 

通过寻找宇宙中的反物质，科学家有望弄清宇宙暴涨持续了多久。Steigman说，“尽管成功机会很小，但这类实验的成功将告诉我们很多关于宇宙最初阶段的事情。”

 

尽管最新研究没有找到反物质线索，但它还是为寻找反物质在更小尺度上的存在提出了更严格的限制，即关注那些没有发生新近的大碰撞的单个星系团。（科学网 任霄鹏/编译）

  

（《宇宙论与天体粒子物理学杂志》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics），doi: 10.1088/1475-7516/2008/10/001，Gary Steigman）