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宇宙的溫度比它應有的溫度略高——暗光子 "可能是罪魁禍首
2024/01/29

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我們生活在一個充滿光的世界。光是一種電磁波,是電磁力的表現形式。電磁力是自然界的四種基本力之一,它支配著電荷、磁場和光的相互作用。光的微觀粒子是光子,它們是電磁力的載體,也就是說,它們是傳遞電磁力的粒子。

但是,你知道嗎?除了我們熟悉的光子,宇宙中可能還存在一種神秘的粒子,它們被稱為暗光子。暗光子是一種暗物質的假設形式,暗物質是一種看不見的物質,約占宇宙中所有質量的 80%。暗光子也是一種力的載體,但它們不是傳遞電磁力,而是傳遞一種新的、未知的力,這種力被稱為暗力。如果暗力是自然界的第五種力,那它只在暗物質之間起作用,而對正常物質沒有影響。

暗光子和光子有一些相似之處,比如它們都沒有電荷,都可以以光速運動,都可以表現為波或粒子。

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但是,暗光子和光子也有一些不同之處,比如暗光子有極小的質量,而光子沒有質量,暗光子不與光發生相互作用,而光子可以與光發生相互作用。最重要的是,暗光子有一個特殊的能力,它們可以偶爾變成光子,或者從光子變回暗光子,這種現象被稱為暗光子和光子的混合。

那麼,我們怎麼能觀測到暗光子呢?有一個方法是利用所謂的萊曼-阿爾法森林。這是一種用來觀測星系間氣體的技術,星系間氣體是指散布在星系之間的稀薄氣體,主要由氫原子組成。當我們觀測來自遙遠明亮天體的光時,比如類星體(由遙遠星系中心的黑洞驅動的發光體),在來自遙遠天體的光的平滑光譜中會出現一系列間隙。這是因為這些光線在到達我們的視野之前,必須經過數十億光年的星系間氣體的過濾。

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在這個過程中,有一種特定波長的光線會被氫原子吸收,這個波長對應于氫原子內部電子從第一能級上升到第二能級所需的能量差。這樣,就在光譜中留下了一個缺口,這個缺口被稱為萊曼-阿爾法線。

由于宇宙的膨脹,來自遙遠天體的光線會發生紅移,也就是說,它們的波長會變長,頻率會變低。這意味著,不同距離的星系間氣體會吸收不同波長的光線,從而在光譜中產生不同位置的萊曼-阿爾法線。如果我們觀測到很多個萊曼-阿爾法線,就像一片森林一樣,那麼我們就可以推斷出星系間氣體的分布和性質。這就是萊曼-阿爾法森林的原理。

萊曼-阿爾法森林不僅可以告訴我們星系間氣體的位置,還可以告訴我們星系間氣體的溫度。這是因為,氣體的溫度會影響氫原子的運動,從而影響萊曼-阿爾法線的寬度。

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如果氣體越熱,氫原子的運動就越劇烈,萊曼-阿爾法線就越寬。如果氣體越冷,氫原子的運動就越緩慢,萊曼-阿爾法線就越窄。通過測量萊曼-阿爾法線的寬度,我們就可以推算出氣體的溫度。

然而,最近,一些天體物理學家發現了一個奇怪的現象。他們利用精密的計算機模擬,預測了星系間氣體的演化過程,然后與實際的觀測結果進行比較。他們發現,觀測結果表明,星系間氣體的溫度比模擬預測的要高一些,這意味著有什麼東西正在加熱星系間氣體,而這個東西沒有被模擬考慮在內。

這個東西到底是什麼呢?有一種可能的解釋是,暗光子正在起作用。如果暗光子存在,它們就會在宇宙中不斷地與光子混合,從而產生新的光子。這些新的光子會以各種波長和方向飛射出去,有些會撞到星系間氣體上,從而給氣體帶來熱量。

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這樣,暗光子就成了一種隱形的熱源,它們可以解釋為什麼星系間氣體比預期的要熱。

當然,這只是一種假設,還有很多問題需要回答。比如,暗光子的質量和混合機率是多少?暗光子和光子的混合機制是什麼?暗光子和暗力的性質是什麼?暗光子對其他天體物理現象有什麼影響?暗光子是否可以被其他方法直接探測到?這些問題都需要更多的研究和實驗來驗證和探索。

暗光子是一種激動人心的想法,它不僅可以解釋一些天文學的謎團,還可以揭示自然界的新的力和粒子。如果暗光子真的存在,它們就會給我們的宇宙增添一抹新的光彩。

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