地球本身可作为行星尺度暗物质探测器

（来源：环球网资讯）

来源：科技日报

科技日报记者 张梦然

据SciTechDaily网站近日报道，一个国际研究团队提出，地球本身的磁场与大气层可构成一种行星尺度的超轻暗物质探测器，并通过分析英国地质调查局长达十年的地磁数据，对轴子信号给出了比此前地面实验严格约100倍的限制。

研究团队由日本京都大学领衔，他们关注的候选粒子是轴子和暗光子。

这类粒子质量极轻，比电子小19—21个数量级，若作为银河系暗物质晕的一部分穿过地球，会与地磁场耦合，转化为一个单色电磁波信号，其频率由粒子质量决定。

地球表面与电离层之间形成了一种上下皆为良导体的空腔。

团队在理论上重新计算了轴子诱导电磁波在该空腔中的约束与共振，发现当轴子质量大于约10-14电子伏特时，信号会呈现出与舒曼共振对齐的共振结构，在质量约为3×10-14电子伏特处磁场振幅尤其增强。

同时，信号强度和方向随地理位置变化，东南亚地区的灵敏度最高。

这一理论框架避免了理想化模型中的发散问题，且对电导率模型和边界条件的不确定性不敏感，为区分轴子信号与自然或人造电磁背景提供了可靠模板。

为检验理论，团队调取了英国地质调查局2012—2022年的地磁数据。

他们先排除已知人类活动造成的电磁干扰，再借助统计方法搜寻长期存在、集中在特定频率的窄频谱信号。

分析结果表明，在所选质量范围内未发现明确的轴子信号，但通过排除法，团队给出了轴子与光子相互作用强度的新限制，在某些频段比此前地面实验的最佳结果严格约100倍，可与钱德拉X射线望远镜和核光谱望远镜阵列等空间观测的限制相媲美。

暗光子的搜寻结果则更具悬念。

数据中出现若干持续存在的候选信号，部分特征与暗光子的理论预测相符，但是否确系暗物质信号，仍需进一步验证。

研究团队表示，若将全球地磁观测网络串联起来，就有望判断某地发现的候选信号是否在行星尺度上呈现一致模式，抑或仅仅是局部噪声。

利用地球自身作为探测器，为人类提供了一种独立于实验室和中远天体环境的暗物质搜寻路径。

引力弹弓不用遵守能量守恒定律？为什么绕着行星转一下可以加速？

核废料是人类长期面临的一大难题，它数量庞大，其危险性会持续数万年之久，而人们至今仍未真正找到妥善处置的办法。

既然如此，为什么不干脆用火箭把核废料送上太空，直接扔进太阳里烧掉呢？ 这个设想看似简单直接，但仔细分析就会发现问题重重。

首先，把核废料装上火箭本身就极其危险。

火箭在发射过程中偶尔会发生爆炸事故，一旦装载核废料的火箭在升空时爆炸，就会瞬间变成一枚威力巨大的"脏弹"，把放射性物质散布到广阔区域，后果不堪设想。

不过，除了发射风险之外，还有一个更为根本的原因——想要真正把物体送进太阳，其实非常非常困难。

乍看上去，飞向太阳应当是件容易的事，毕竟太阳的引力一直在把万物往它那里拉。

然而事实并非如此。

地球以及地球上的一切物体，都在以极高的速度绕着太阳做侧向运动。

当我们朝太阳"下落"的同时，也在以惊人的横向速度从它旁边掠过，结果就是一次次与太阳擦肩而过。

要想真正撞进太阳，就必须把这种侧向速度降下来，让飞行器不再横着飞。

而且这种减速必须彻底——只要还残留哪怕一点点侧向速度，飞行器就会与太阳失之交臂，绕着它兜一圈甩出去，而不是一头栽进去。

那么，需要把速度降低多少呢？ 地球连同地球上的一切，都在以大约每秒30公里的速度围绕太阳运行。

这意味着，要让飞行器停止绕日运动、直接坠入太阳，就必须让它相对于地球以每秒30公里的速度向后加速，才能抵消这份公转速度，实现"太阳跳水"。

而且必须减到几乎为零，一点都不能剩。

每秒30公里究竟有多快？做个对比就一目了然。

从地球轨道出发，只需要比地球再快约每秒11公里，就足以彻底摆脱太阳的引力束缚，飞出整个太阳系。

换言之，把飞行器送出太阳系，比让它撞进太阳还要容易得多。

这一点值得再重复一遍：从能量消耗的角度看，前往其他恒星所需要的加速度，竟然比抵达身边这颗太阳还要小。

听起来匪夷所思，但事实确实如此。

而事情还可以变得更加违反直觉。

由于天体引力的强弱与距离密切相关，物体离太阳越近，所在轨道就越小，绕太阳的公转速度也就越快。

以太阳系的行星为例，水星绕太阳一圈的速度大约是地球的一点五倍，而遥远的冥王星速度只有地球的六分之一。

这就带来一个有趣的推论：从水星出发反而比从地球出发更难撞进太阳，尽管水星离太阳近得多。

原因在于，要在水星轨道上停下来，飞行器需要以每秒48公里的速度向后加速，比在地球轨道上所需的每秒30公里还要大得多。

相反，从冥王星轨道出发反而轻松得多——只需要以每秒5公里的速度反向加速，就足以让飞行器摆脱缓慢的公转速度，径直坠入太阳。

正因为如此，如果单纯依靠火箭动力来完成撞日任务，最高效的做法反倒是先把飞行器送到外太阳系去。

因为在外太阳系公转速度大幅降低，随后再进行第二次点火，抵消掉那微弱的横向速度，飞行器就能沿着近乎笔直的路径直接落向太阳。

这也正是美国国家航空航天局早期在规划太阳探测任务时，之所以曾提出让探测器先飞往木星轨道的原因——绕道外太阳系反而更容易减速、更容易接近太阳。

不过，任务规划人员最终并未采用这一方案，而是选择让探测器多次借助金星的引力弹弓效应逐步减速，从而节省宝贵的燃料，一步步靠近太阳。

至于引力弹弓具体是如何运作的，那就是一个值得单独展开的话题。

它是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式，简单来讲，这种方式能够利用行星的引力把探测器"甩"出去，从而为探测器提供额外的速度。

借助这一手段，探测任务所需要的燃料和飞行时间都能被大幅压缩，因此几乎成了深空探测的标配技术。

不过，如果对这个过程稍作推敲，就会发现它并不像"绕一圈就加速"那样简单。

在多数人的印象中，引力弹弓的画面大致是这样的：探测器首先朝着某颗行星飞近，然后被行星的引力抓住、绕着它转上一圈，等到被甩出来的时候，速度就比进入时更快了。

听起来顺理成章，可只要多想一步，就会隐隐觉得有点不对劲。

问题的关键在于能量守恒。

当探测器靠近行星时，行星的引力做正功，探测器会被加速；可当它绕过近拱点、再从行星旁边远离时，同一份引力又会做负功，把刚刚获得的动能重新拉回去。

一进一出、加加减减，探测器相对于行星的速度理应回到原点，怎么会平白多出一截呢？ 真正让这个"魔术"成立的，是参考系的切换。

相对于行星本身，探测器的速率进出确实几乎不变，弹弓过程只改变了它的飞行方向；但相对于太阳来说，行星本身也在高速公转，探测器借用的其实是行星绕日运动的那份动能。

行星在把探测器"甩"出去的同时，自身的公转速度会被极其微弱地拖慢一点，只不过行星的质量远远大于探测器，这份损失小到根本无法察觉。

所以，引力弹弓从来没有违反能量守恒定律，它只是把行星公转的动能借了一小勺给探测器。

理解了这一点，再回头看撞日任务为何要反复利用金星减速，也就顺理成章了——同样是引力弹弓，一次次借用行星的动量，就能把公转速度这道最难迈过去的坎，一点点悄悄磨掉。

粒子对撞机重现大爆炸后数微秒存在的物质

RHIC团队可以将自己的结果与欧洲核子研究中心（CERN）的结果进行比较，那里的物理学家也在大型强子对撞机上轰击了氧原子核。

美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）的科学家们通过以接近光速轰击氧原子核，成功生成了夸克-胶子等离子体（QGP）。

QGP是宇宙诞生后最初几微秒内存在的一种物质形态，有助于物理学家确定质子、中子和原子最初是如何形成的。

研究QGP还可以帮助科学家理解物理学中的其他现象，例如核稳定性的极限，以及对X粒子等奇特粒子的搜寻。

然而，由于QGP即使在宇宙大爆炸之后也只持续了几微秒，科学家很难直接观测到它，即使在RHIC或CERN大型强子对撞机（LHC）这样的粒子对撞机内部也是如此。

因此，科学家唯一能知道QGP是否形成的方法，是利用RHIC的螺线管径迹探测器或STAR探测器等探测器，研究从原子核碰撞中飞出的粒子。

“科学家研究QGP最有力的方法之一，是确定其特征信号出现在哪里——同样重要的是，确定这些信号在哪里消失，”参与这项工作的山东大学物理学教授李毅说。

研究人员此前发现，高能粒子喷注在穿过粒子对撞机内原子核碰撞后留下的炽热、致密物质时会损失能量。

这被称为喷注淬火，被认为是QGP形成的标志。

什么是喷注淬火？ 当粒子对撞机将金等较重的原子核相互轰击时，它们的边界会瓦解，质子和中子中的夸克和胶子被释放出来。

这些碰撞遵循爱因斯坦著名的E=mc²方程，并相应释放能量。

由于形成的QGP比原子核本身还小，研究人员利用探测器来发现这些原子核碰撞后飞出的其他粒子。

然而，在观测中，研究人员发现一些粒子从这些碰撞中飞出时能量低于预期，就好像它们被等离子体中的夸克和胶子困住了一样。

为了进一步理解这一点，研究人员研究当原子核中的单个夸克或胶子与另一个原子核中的单个夸克或胶子碰撞时释放的能量喷注。

这种碰撞会在碰撞区边缘产生两束高能粒子喷注，帮助研究人员通过观察这些粒子的能量损失来研究QGP。

这种喷注淬火对于理解QGP至关重要，同时也是其存在的明显迹象。

研究氧原子核碰撞 RHIC的研究人员曾在金-金碰撞中观察到喷注淬火。

金原子核有78个质子和118个中子，属于相对较大的原子核；研究发现，从这些碰撞中产生的较低能量粒子会集体运动，像一种没有阻力的完美液体。

研究人员想知道，如果他们使用包含氧等较轻元素原子核的系统，是否会得到类似的观测结果。

每个碰撞氧原子核只有8个质子和8个中子，因此氧提供了一个比金或铅等重原子核更简单的系统来观测喷注淬火。

利用RHIC在2021年以2000亿电子伏特（GeV）进行的氧-氧碰撞数据，该团队发现，由于喷注淬火，高能粒子被抑制了20%。

虽然这一抑制程度低于金和铅对应的情况，但仍能证明QGP的形成。

由于LHC的研究人员也研究过氧-氧碰撞，RHIC团队可以将自己的发现与CERN研究人员的结果进行比较。

“我们正从两个方面推进边界，以探索产生QGP的最低条件：一方面通过观察这些小型氧-氧碰撞来研究原子核尺寸，另一方面也研究较低碰撞能量的数据——而我们仍然看到了这一关键的QGP特征。

这是我们测量的独特之处，”布鲁克海文国家实验室STAR物理学家马荣荣在新闻稿中解释道。

随着新的sPHENIX探测器如今成为RHIC粒子对撞机装置的一部分，未来关于氧-氧碰撞还将有更多发现。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！