紫外辐射缺失之谜


天文学家发现,邻近宇宙中来自恒星和类星体的辐射数量距离解释对星系际气体的观测还差得很远。

看起来邻近宇宙中丢失了什么东西,而且是很多东西:紫外光子。新近对邻近宇宙紫外背景辐射的研究发现了“光子生成数量不足的危机”,说明人们要么错误地估计了邻近的紫外源,要么没能正确理解星系际介质,要么兼而有之。

弥漫在宇宙中的紫外背景辐射来自两个主要来源——类星体以及年轻的高温恒星。它们的紫外光子与弥漫在星系际空间的稀疏气体相互作用,将中性氢原子转化为带电的离子。由于恒星的紫外辐射在与星系际氢云相互作用之前,通常会被宿主星系中的气体吸收,类星体可能提供了河外紫外背景辐射中最大的一部分。

由于紫外背景辐射过于暗淡,天文学家无法直接进行测量,他们转而累加起所有可能的紫外辐射源,并计算被星系际气体吸收和再发射的紫外线比例。

类星体的艺术概念图,它是邻近宇宙中紫外光的两大主要来源之一。(图片提供:NASA / ESA)


对遥远宇宙的观测表明,紫外源的数量以及星系际气体的电离速率吻合得近乎完美。但是由卡耐基天文台的尤纳?科尔迈尔(Juna Kollmeier)及其同事进行的一项研究表明,在邻近宇宙中,结果要古怪得多。

科尔迈尔的小组模拟了生成哈勃空间望远镜对邻近星系际氢云的观测结果所需的电离率。但是为了以这样的速率让氢元素电离,邻近宇宙需要的紫外辐射数量是超级计算机对紫外背景模拟结果的5倍。

科尔迈尔的小组对这一危机提出了若干种可能的解释,不过没有一种看起来能完全让人满意。天文学家可能需要对来自类星体和年轻恒星的紫外辐射数量,还有逃逸出宿主星系的恒星辐射数量进行彻底的重新估计。

对“光照暗弱”的宇宙(左图)以及“光照明亮”的宇宙(右图)中星系际氢云的模拟比较,右图中摧毁中性氢原子的紫外光子数量是左图的5倍。哈勃对星系际介质的观测与右图相符,但是只使用已知宇宙紫外源进行的模拟产生了左侧这样更为厚重的结构。(图片提供:Ben Oppenheimer and Juna Kollmeier)


一个更加激动人心的可能性是,邻近宇宙的紫外背景是由尚未被发现的光子源占据主导的。也许最为激进的解决方案是,星系晕中的暗物质衰变过程产生了缺失的紫外辐射。科尔迈尔的小组估计,如果情况确实如此,那么在整个宇宙的历史中,只有极少的暗物质发生了衰变。但是这一解释会彻底改变我们对暗物质特性的认识。

来自马萨诸塞大学阿默斯特(Amherst)分校的尼尔·卡茨(Neal Katz)在卡耐基学会的新闻稿中称:“你要知道,当你开始讨论暗物质衰变的时候,这就是危机了!”

尤蒂卡(Utica)学院的乔·里包多(Joe Ribaudo)并未参与此次研究,他说,抛开猜测不谈,这次危机表说明,我们当前对现今宇宙的模型以及观测存在很大的矛盾。“当然,任何时候只要你的理论模型与观测不符,这就是激动人心的机会,可以了解宇宙的一些新东西。”


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105564000:2018-02-21 15:08:07