宇宙大爆炸后,反物质为何消失了?它们会不会已经形成了天体?

自从上个世纪30年代反物质被发现开始,科学家们就忍不住思考一个问题:为什么这个宇宙由物质统治?

我们知道,物质和相对应的反物质会湮灭成为能量,宇宙中的能量也会转换为粒子-反粒子对。因此从理论上讲,在宇宙大爆炸的时候,虽然有大量的物质出现,但也应该有等量的反物质同时诞生,并且二者马上就会湮灭成为能量。按照这个说法,今天的宇宙应该是一片虚无。

不用说你也知道,这个理论并没有成真。在某种未知的机制下,反物质逐渐消失,物质却大量地留在了这个宇宙中。到了今天,近到我们眼睛上的睫毛,远到130亿公里以外的天体,全都是由物质构成的。能够让我们看到反物质的,只有两个地方:

(图片说明:电子和正电子绕中子星旋转的艺术图)

  • 宇宙射线:这里的宇宙射线指的是高能粒子流,通常来自于最为剧烈的天体物理学过程,比如超新星爆发,或者是天体之间的碰撞。在这种极高能量的撞击中,一些亚原子粒子被炸碎,这就有机会产生反物质。它们穿越茫茫宇宙,来到地球,被科学家检测到;

  • 粒子对撞机:地球上没有这样极端的环境,但我们可以创造这样的环境。通过给粒子施加强大的能量,使其加速到接近光速并发生对撞,可以产生类似的效果,从而创造出反物质。

除此之外,宇宙中似乎就找不到其他的反物质来源了。那么,反物质到底去哪了呢?到底是怎样的机制,导致了反物质和物质的不平衡呢?

就像刚才说的,这仍然是个谜,但科学家们还是普遍相信,这是宇宙大爆炸初期造成的。在大爆炸刚刚发生不到1秒的时间内,物质和反物质确实是等量的。不过,有某种机制的存在,导致了物质产生得更多。这样的不平衡不需要太多,只要物质的产生量比反物质多1/10亿,就足以导致反物质最终完全消失,最终物质统治整个宇宙。

那么问题来了:宇宙大爆炸时期产生的反物质,就真的完全消失了吗?它们会不会躲过和物质的湮灭,如今残留在宇宙的某个角落呢?只要它们独自飘浮在太空之中,不与物质接触,理论上来说它们就会一直在那,甚至可能相互结合,形成更大的结构。如果是那样的,那么情况就耐人寻味了。

我们知道,物质和反物质的关键区别是电荷,其他方面的物理学机制都是不变的。也就是说,我们完全可以通过反质子和正电子结合为反氢原子,进行制造出反氢气、反氦气等所有反元素。在足够的压力和温度下,反氢也可以聚变为反氦,也就是形成反恒星,反恒星还可能聚集起来形成反星系。

当然,像星系这么巨大的反物质集团,存在的可能性还是相当低的。因为如果它真的存在,那么目标太大,很容易和物质相互作用甚至于物质组成的星系碰撞。这个过程中,物质和反物质湮灭释放的能量将相当大,足以让我们观测到。而如今宇宙中没有这种迹象,意味着反星系不太可能存在。

如果我们把目标缩小一点,比如反物质星团,那还是有可能的。

星团是一种由恒星组成的小集合体,分为球状星团和疏散星团。其中,球状星团通常包含几千到几十万颗恒星,并且都是非常古老的恒星,有的甚至和宇宙年龄差不多。在球状星团中,几乎只能看到红色的古老小恒星,很少有星际气体或尘埃,因此也没有形成新恒星所需的原料。在我们的银河系中,就有大约150个这样的古老恒星团。

科学家认为:这些球状星团中,就有可能存在着由反恒星组成的反星团。

你可能以为这个想法过于大胆了,但科学家们的确在认真思考这个问题。有一支由理论物理学家组成的团队就进行了相关的研究,来分析这150个球状星团中存在反星团的可能。他们的问题很简单:如果真的有一个或几个是反物质构成的星团,那么将会发生什么样的现象?

问题很简单,但回答却不容易。

(图片说明:球状星团M107)

理论上来说,只要这样的反星团不在银盘上下穿梭,那么它几乎不可能真的遇到物质组成的恒星并发生湮灭。因为球状星团几乎只有恒星,而恒星和恒星际空间相比小得可怜,因此不太可能遇到物质。也就是说,如果有一个球状星团是反恒星组成的,那么它看起来应该也挺普通的,没什么特别之处。

当然,这不意味着我们就无法发现它们。实际上,反恒星和恒星一样,也会有强烈的耀斑或者是巨大的日冕物质抛射现象,抑或是反恒星的超新星爆发。在这些天体事件中,同样会有强大的粒子流射出,而和正常恒星相对应的,反恒星射出的粒子流应该也是充满了反物质的。

这些反物质粒子会向宇宙空间喷射,其中自然也会有一部分来到太阳系,甚至是来到地球。因此,我们不得不思考一个问题:科学家观测到的那些来自宇宙的反物质粒子中,是否有一部分就是从反恒星来到地球的呢?

这个问题,确实难住了科学家。

我们知道,这些粒子都是带电的。在穿越银河系的过程中,它们会途径各种各样的磁场,在洛伦兹力的作用下发生各种各样的偏折,而且天体还在不断地运行。因此,即使观测到来自于宇宙的反粒子,科学家们也几乎不可能追溯其来源。

所以,我们还是寄希望于科学家们能够找到一种方法,确认银河系内是否有星团或者恒星是由反物质构成的,并且通过观测来了解反物质以及推测宇宙早期发生的事情。

当然了,就算真的发现了反星团,我们也不可能真的去那里近距离观测。因为我们一旦到了那里,就要和它们湮灭了……

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