揭示銀河系反物質來源：每秒鐘製造9萬億千克

北京時間6月12日消息，據國外媒體報道，反物質在宇宙中是極其稀有的，但宇宙的範圍無比巨大，即使是很少的數量都相當可觀。對銀河系中的輻射觀測顯示，存在一些正電子持續與電子碰撞並湮滅。科學家估計，僅僅銀河系就存在著大量的正電子，每秒湮滅的反物質大約為9.1萬億千克。

亮紅色的線條是銀河系發出的高能輻射，其中有一些來自反物質的湮滅

這些反物質來源於哪裡？我們還不得而知，但科學家已經提出了幾個可能的來源，包括暗物質粒子和超大質量黑洞。在近期發表於《自然-天文學》（Nature Astronomy）的一篇論文中，澳大利亞國立大學的研究人員提出了一個相對不那麼激動人心的推測：這些反物質來源於一類特殊的超新星，這些超新星在爆發時能產生大量的放射性鈦，後者經過衰變後會釋放出正電子。

儘管在地球上可以用輻射製造出正電子，但它們在產生出來之後會瞬間與電子碰撞並湮滅，然後釋放出一個高能光子。然而，太空中的物質極其稀疏，科學家估計正電子通常要飛行10萬年以上才會與其他物質碰撞。如此漫長的時間足以使任何單一的來源變得模糊，快速的正電子產生過程成為緩慢湮滅過程的背景。因此，即使存在一些產生正電子的物體，我們也很難觀測到它們。

在銀河系中央的核球附近，似乎存在著過量的正電子。由於核球處的恆星數量比銀盤少得多，因此恆星似乎不大可能是正電子的來源。這也是暗物質湮滅成為可能解釋的原因之一。但是，反物質湮滅後到達地球的光子只具有湮滅本身產生的能量，並沒有攜帶額外的能量。這意味著，這些正電子的能量相對較低，因此可以排除暗物質碰撞其他多種可能來源。

論文作者指出，歐洲空間局的「國際迦馬射線天體物理學實驗室」（INTEGRAL）衛星的觀測顯示，來自銀盤的正電子數量要遠多於我們之前所預計的。而且，大量來自核球的正電子似乎產生於中央黑洞。因此，銀盤和核球所產生的正電子數量應該大致與其中的恆星數量成正比，恆星來源說又重新獲得了支持。

一顆充滿了常規物質的恆星如何能產生反物質呢？通過它的膨脹。超新星能產生大量較重的元素，其中一些具有放射性。某些特定類型的放射性元素在衰變時會釋放正電子。事實上，超新星中已知有三種元素能做到這點：鎳-56、鈦-44和鋁-26。

在這三種元素中，鎳-56具有最短的半衰期——只有6天。由於衰變迅速，在大部分正電子釋放時，超新星的碎屑依然具有很強的放射性。因此，這些正電子會在碎屑中湮滅，為提高超新星的亮度做一點貢獻。

相比之下，鋁-26的半衰期超過1萬年，足以使正電子遠離超新星。由於鋁-26衰變時通常遠離其他輻射源，因此我們可以探測它衰變時產生的光子，作為測量正電子數量的方法。不過，我們測得的數量只佔了10%的正電子湮滅率，因此鋁-26也被排除了。

最後是鈦-44，其半衰期為60年，足以使超新星碎屑在正電子產生之前變得稀薄。而且我們可以在超新星塌縮產生的碎屑里找到鈦-44的衰變。然而，現實再一次令我們失望。我們可以利用湮滅釋放的光子來追蹤衰變，但這些超新星殘餘中並沒有足夠的鈦，換句話說，這些鈦不足以解釋銀河系中正電子的數量。似乎鈦來源說已經被排除了。

不過，研究人員找到了一個新的方法，使這一假說依然有可能成立。有一類相對罕見的超新星（被稱為類SN 1991bg超新星）能產生異常多的鈦。這些超新星產生於兩顆中等大小的恆星距離足夠近，以至於分享一個共同包層的情況下。其中一顆恆星會獲得足夠的物質，演變成一顆由碳和氧組成的白矮星；另一顆恆星則變成幾乎全部由氦組成的圓球。模型顯示，當兩顆恆星隨後碰撞並爆發的時候，會產生大量中等質量的原子，比如鈣、鉻和最重要的鈦。

科學家已經在這類超新星爆發的後續中發現了鈦的衰變。據估計，這類爆發的發生率足以支持放射性鈦的穩定輸出。關鍵的問題在於，這些鈦是否足以提供另外90%不是來源於鋁的正電子。根據簡化的核聚變鏈式反應模型，這種情況是有可能的。不過，論文作者呼籲研究超新星模型的其他研究者對這類特殊的爆發形式進行模擬。

銀河系的暗物質來源還遠沒有到下定論的時候，但研究人員提出的這一解釋或許能在不久的將來得到檢驗——通過計算機模擬和天文觀測。