玩跨界?钱德拉X射线望远镜帮助检验大统一理论

物理学界最帅的话题就是“大统一理论”,这个让爱因斯坦老爷子念念不忘的想法,试图将所有的粒子、力和相互作用统一在一个理论框架下,实现物理学的大统一,听起来是不是很高大上?起码人马君是不明觉厉啊!

玩跨界?钱德拉X射线望远镜帮助检验大统一理论

最有希望实现大统一目标的假说之一就是“弦理论”,这个备受谢耳朵推崇的理论有多个版本,纵横物理学界数十载,红遍了大洋两岸……然而,它的小辫子也很明显:能够支撑它的实验数据有点儿过于少了,甚至根本没法做实验,因此谢耳朵们经常被不明就里的吃瓜群众嘲笑。不过最近事情有所转机,天文学家上门帮忙了,他们利用钱德拉X射线望远镜的观测数据,似乎找到了用实验来验证弦理论的门道!

先隆重介绍一下我们的主角:钱德拉X射线太空望远镜:

钱德拉望远镜的本名是高级X射线天体物理学设施(AXAF),钱德拉这个名字是为了纪念印度裔天体物理学家钱德拉塞卡而后改的(著名的“钱德拉塞卡极限”也是出自于他,如雷贯耳啊!)。这是一台太空望远镜,1999年发射升空,与我们熟知的哈勃太空望远镜不同,它工作在软X射线波段,可以观测到天体隐藏在可见光之外的秘密。

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再介绍一下我们要观测的对象:轴子:

这个名字听起来是不是很”轴“?而它确实是特立独行。轴子是弦理论预测的一种假想基本粒子。轴子是中性的,它的质量非常小,小到不超过电子质量的百万分之一。轴子可通过极微小的力相互作用,在宇宙中处于低温玻色子凝聚状态,被认为是组成暗物质的候选粒子之一。

根据弦理论的预测,轴子在磁场的作用下,可以转化为光子,光子在特定条件下也能转化为轴子。而衡量轴子向光子转化的概率或难易程度的量被称为转化截面,为了好理解,我们就姑且叫它转化率吧!

但是,轴子的问题在于:它至今没有被观测到,于是钱德拉望远镜主动请缨上阵了!

我们知道,在宇宙中的星系中心,往往存在着巨大的黑洞,当周围的物质落入黑洞时,会发出明亮的X射线。钱德拉望远镜的强项就是记录这些X射线的能谱(即反映光子数量在各个能量区间的比例的曲线)。而巨大的星系或星系团又有着作用距离非常长的磁场。如果轴子存在的话,它会在磁场的作用下转化为X射线光子,而这会使X射线的能谱发生一点微小的变形。钱德拉望远镜恰恰能以非常高的灵敏度找到这些变形,于是就具备了探测轴子之类的粒子是否存在的能力!

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钱德拉望远镜观测星系中心黑洞发出的X射线

钱德拉望远镜首先对M87星系中心黑洞进行了观测(没错,就是前一阵子黑洞照片那个),灵敏度达到了地球上的实验室所能达到的最高灵敏度的3到4倍。最近,它将视野转向了英仙座星系团中心的超级黑洞,并对长达5天的观测数据进行了分析,这次的探测灵敏度超过了实验室的100倍。

然而,现实是残酷的,观测结果依然没有发现轴子的蛛丝马迹!原因可能有二:一是轴子根本就不存在,二是灵敏度还不够高,无法探测到极低的转化率产生的能谱变形。

什么?你啰嗦了这么多,最后什么也没有找到?人马君这一顿暴打看来是躲不过去了!不过,鼻青脸肿的人马君表示:虽然没找到轴子,但这毕竟为探测这些虚无缥缈的假想粒子提供了一条行之有效的新途径,仍然是值得庆祝的,尤其是埋头钻研大统一,却苦于无法验证自己理论的谢耳朵们,更是要万分感谢钱德拉望远镜。

最后说点儿题外话:钱德拉望远镜发射时,人马君还没上大学,而现在,它已经21岁”高龄“了!比它小4岁的斯皮策红外太空望远镜都已经退役了。在这二十多年的观测中,获得了大量的数据,美国这笔投资那是相当的值!

而在中国,2017年,第一台硬X射线调制望远镜“慧眼”发射成功,2018年交付使用。这件事对很多人来说并没太在意,但对于中国的天体物理学界,却是一件大事,它使中国拥有了能够与先进国家匹敌的“高大上”的太空天文望远镜,而且观测波段独特,占有了重要的一席之地。

希望我国将来能发射更多的太空望远镜,到那时,人马君就可以自豪地推送各种“Made in China”高清大图了!


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