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科学家首次提出检验3.5 keV发射线轴子转化起源假说的方法

日期:2017-03-11 12:09:13编辑作者:太阳城申博

近日,中国科学院国家天文台研究员巩岩、陈学雷以及清华大学教授冯骅首次提出可利用3.5 keV发射线光子的极化方向来检验其轴子(axion)转化起源的假说。此研究结果将有助于解开3.5 keV发射线的起源问题,同时可以帮助确认轴子的存在。该成果已经发表在2月份的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

  最近的X射线观测表明,在一些星系团、漩涡星系甚至银河系中心,可能存在一条能量为3.5 keV左右的微弱发射线。此发射线有可能是还未确认的某种原子发射线,但科学家们认为其很可能是由暗物质衰变产生的。进一步的观测和理论研究表明,暗物质直接衰变成3.5 keV光子并不能很好地解释此发射线的起源。一种更加符合观测结果的理论认为,此发射线是由暗物质粒子衰变为轴子,而后轴子再与星系或星系团中的磁场相互作用,从而最终转化为3.5 keV光子(如图1)。如果此转化机制能够被确认,将为轴子这一假想粒子的存在提供强有力的支持,并对粒子物理学以及暗物质的研究都具有重要的意义。

  巩岩及其合作者研究了3.5 keV轴子转化假说的特点,发现轴子与磁场相互作用产生的光子应具有特定的极化方向,且此方向应与光子产生处的磁场方向平行,从而提供了一种对该理论的有效检验方法。

  巩岩等人发现,对于星系团来说,由于其磁场分布不规则,很难确认其总的光子极化方向,因此不能通过其总极化方向和磁场来判断。但由于星系团体积巨大,可通过观测其某些部分发出的3.5 keV光子的极化方向,并与这些部分的磁场方向进行比较,来确认两者是否一致。对于漩涡星系,巩岩等人根据以往相关观测结果,建立了漩涡星系的磁场分布模型,并以此模型为基础,计算了总的3.5 keV光子极化度和极化方向与漩涡星系观测倾角的关系(如图2),从而可以凭借此关系来验证轴子转化假说。更广泛的,特别是对于不能确认倾角的漩涡星系,研究者也提出了检验方式。即由于漩涡星系盘面磁场往往强于星系晕中X形状磁场,所以对于大多数漩涡星系,如果发现总的3.5 keV光子极化方向平行于星系投影的长轴方向,也可以作为一种判断此假说正确的依据。

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