揭秘銀河系反物質(zhì)來(lái)源：每秒制造9萬(wàn)億千克

反物質(zhì)在宇宙中是極其稀有的，但宇宙的范圍無(wú)比巨大，即使是很少的數(shù)量都相當(dāng)可觀。對(duì)銀河系中的輻射觀測(cè)顯示，存在一些正電子持續(xù)與電子碰撞并湮滅。科學(xué)家估計(jì)，僅僅銀河系就存在著大量的正電子，每秒湮滅的反物質(zhì)大約為9.1萬(wàn)億千克。

這些反物質(zhì)來(lái)源于哪里？我們還不得而知，但科學(xué)家已經(jīng)提出了幾個(gè)可能的來(lái)源，包括暗物質(zhì)粒子和超大質(zhì)量黑洞。

在近期發(fā)表于《自然-天文學(xué)》（Nature Astronomy）的一篇論文中，澳大利亞國(guó)立大學(xué)的研究人員提出了一個(gè)相對(duì)不那么激動(dòng)人心的推測(cè)：這些反物質(zhì)來(lái)源于一類特殊的超新星，這些超新星在爆發(fā)時(shí)能產(chǎn)生大量的放射性鈦，后者經(jīng)過(guò)衰變后會(huì)釋放出正電子。

盡管在地球上可以用輻射制造出正電子，但它們?cè)诋a(chǎn)生出來(lái)之后會(huì)瞬間與電子碰撞并湮滅，然后釋放出一個(gè)高能光子。

然而，太空中的物質(zhì)極其稀疏，科學(xué)家估計(jì)正電子通常要飛行10萬(wàn)年以上才會(huì)與其他物質(zhì)碰撞。

如此漫長(zhǎng)的時(shí)間足以使任何單一的來(lái)源變得模糊，快速的正電子產(chǎn)生過(guò)程成為緩慢湮滅過(guò)程的背景。因此，即使存在一些產(chǎn)生正電子的物體，我們也很難觀測(cè)到它們。

在銀河系中央的核球附近，似乎存在著過(guò)量的正電子。由于核球處的恒星數(shù)量比銀盤(pán)少得多，因此恒星似乎不大可能是正電子的來(lái)源。這也是暗物質(zhì)湮滅成為可能解釋的原因之一。

但是，反物質(zhì)湮滅后到達(dá)地球的光子只具有湮滅本身產(chǎn)生的能量，并沒(méi)有攜帶額外的能量。這意味著，這些正電子的能量相對(duì)較低，因此可以排除暗物質(zhì)碰撞其他多種可能來(lái)源。

論文作者指出，歐洲空間局的“國(guó)際迦馬射線天體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室”（INTEGRAL）衛(wèi)星的觀測(cè)顯示，來(lái)自銀盤(pán)的正電子數(shù)量要遠(yuǎn)多于我們之前所預(yù)計(jì)的。而且，大量來(lái)自核球的正電子似乎產(chǎn)生于中央黑洞。因此，銀盤(pán)和核球所產(chǎn)生的正電子數(shù)量應(yīng)該大致與其中的恒星數(shù)量成正比，恒星來(lái)源說(shuō)又重新獲得了支持。

一顆充滿了常規(guī)物質(zhì)的恒星如何能產(chǎn)生反物質(zhì)呢？通過(guò)它的膨脹。超新星能產(chǎn)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(shí)會(huì)釋放正電子。事實(shí)上，超新星中已知有三種元素能做到這點(diǎn)：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。由于衰變迅速，在大部分正電子釋放時(shí)，超新星的碎屑依然具有很強(qiáng)的放射性。因此，這些正電子會(huì)在碎屑中湮滅，為提高超新星的亮度做一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

相比之下，鋁-26的半衰期超過(guò)1萬(wàn)年，足以使正電子遠(yuǎn)離超新星。由于鋁-26衰變時(shí)通常遠(yuǎn)離其他輻射源，因此我們可以探測(cè)它衰變時(shí)產(chǎn)生的光子，作為測(cè)量正電子數(shù)量的方法。不過(guò)，我們測(cè)得的數(shù)量只占了10%的正電子湮滅率，因此鋁-26也被排除了。

最后是鈦-44，其半衰期為60年，足以使超新星碎屑在正電子產(chǎn)生之前變得稀薄，而且我們可以在超新星塌縮產(chǎn)生的碎屑里找到鈦-44的衰變。然而，現(xiàn)實(shí)再一次令我們失望。

我們可以利用湮滅釋放的光子來(lái)追蹤衰變，但這些超新星殘余中并沒(méi)有足夠的鈦，換句話說(shuō)，這些鈦不足以解釋銀河系中正電子的數(shù)量。似乎鈦來(lái)源說(shuō)已經(jīng)被排除了。

不過(guò)，研究人員找到了一個(gè)新的方法，使這一假說(shuō)依然有可能成立。

有一類相對(duì)罕見(jiàn)的超新星（被稱為類SN 1991bg超新星）能產(chǎn)生異常多的鈦。這些超新星產(chǎn)生于兩顆中等大小的恒星距離足夠近，以至于分享一個(gè)共同包層的情況下。其

中一顆恒星會(huì)獲得足夠的物質(zhì)，演變成一顆由碳和氧組成的白矮星；另一顆恒星則變成幾乎全部由氦組成的圓球。

模型顯示，當(dāng)兩顆恒星隨后碰撞并爆發(fā)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生大量中等質(zhì)量的原子，比如鈣、鉻和最重要的鈦。

科學(xué)家已經(jīng)在這類超新星爆發(fā)的后續(xù)中發(fā)現(xiàn)了鈦的衰變。據(jù)估計(jì)，這類爆發(fā)的發(fā)生率足以支持放射性鈦的穩(wěn)定輸出。

關(guān)鍵的問(wèn)題在于，這些鈦是否足以提供另外90%不是來(lái)源于鋁的正電子。根據(jù)簡(jiǎn)化的核聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)模型，這種情況是有可能的。

不過(guò)，論文作者呼吁研究超新星模型的其他研究者對(duì)這類特殊的爆發(fā)形式進(jìn)行模擬。

銀河系的暗物質(zhì)來(lái)源還遠(yuǎn)沒(méi)有到下定論的時(shí)候，但研究人員提出的這一解釋或許能在不久的將來(lái)得到檢驗(yàn)——通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和天文觀測(cè)。

亮紅色的線條是銀河系發(fā)出的高能輻射，其中有一些來(lái)自反物質(zhì)的湮滅