當(dāng)我們觀察宇宙時(shí)，所看到的只是實(shí)際存在的一小部分。如果我們僅憑肉眼所見(jiàn)來(lái)檢查宇宙，那么我們將錯(cuò)失大量存在于我們不可見(jiàn)的光波長(zhǎng)中的信息。從能量最高的伽馬射線到能量最低的無(wú)線電波，電磁頻譜特別廣泛，可見(jiàn)光僅是其中一小部分。

• 圖注：NASA的費(fèi)米衛(wèi)星構(gòu)造了有史以來(lái)分辨率最高的高能地圖。 如果沒(méi)有像這樣的天基觀測(cè)站，我們將永遠(yuǎn)無(wú)法了解有關(guān)宇宙的所有知識(shí)，甚至無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)量天空中的伽瑪射線。

除了用電磁頻譜探測(cè)宇宙外，還有一種完全不同的方法來(lái)測(cè)量宇宙：收集實(shí)際的粒子和反粒子，這是一門(mén)被稱為宇宙射線天文學(xué)的科學(xué)。十多年來(lái)，天文學(xué)家一直在努力解釋宇宙射線正電子（電子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物）的信號(hào)，解決暗物質(zhì)之謎，這真能解決暗物質(zhì)之謎嗎？ 一項(xiàng)新的研究說(shuō)不，這些正電子可能只來(lái)自脈沖星。這就是為什么呢？

• 圖注：由高能天體物理學(xué)源產(chǎn)生的宇宙射線可以到達(dá)太陽(yáng)系中的任何物體，并且似乎全方位地滲透到我們的局部空間中。 當(dāng)它們與地球碰撞時(shí)，它們撞擊大氣中的原子，從而在表面形成粒子和輻射雨，而直接在大氣層上方的太空中的直接探測(cè)器可以直接測(cè)量原始粒子。

宇宙中有許多東西可以創(chuàng)造正電子。每當(dāng)兩個(gè)粒子之間發(fā)生足夠高的能量碰撞時(shí)，就會(huì)有一定數(shù)量的能量可用，并有可能創(chuàng)造新的粒子-反粒子對(duì)。如果可用能量大于您要?jiǎng)?chuàng)建的新粒子的等效質(zhì)量（由愛(ài)因斯坦的 E = mc2定義），則生成這些新粒子的概率有限。

有各種各樣的高能過(guò)程可以導(dǎo)致這種可用能量，包括被黑洞加速的粒子，與星系盤(pán)碰撞的高能質(zhì)子或在中子星附近加速的粒子?；谟钪娴囊阎锢韺W(xué)和天體物理學(xué)，我們知道，無(wú)論任何新的物理特性如何，都必須生成一定量的正電子。

• 圖注：兩個(gè)高能特征的氣泡是電子/正電子湮滅發(fā)生的證據(jù)，很可能是由星系中心的過(guò)程驅(qū)動(dòng)的。在地球上，通過(guò)直接的宇宙射線實(shí)驗(yàn)，可以看到比傳統(tǒng)物理學(xué)所能解釋的更多的正電子，這就提出了一種令人振奮的可能性，即暗物質(zhì)可能是導(dǎo)致這種過(guò)剩和星系中心伽馬射線的原因。

然而，盡管有壓倒性的天體物理學(xué)證據(jù)證明暗物質(zhì)的存在，我們?nèi)匀黄谕抢镉幸恍┬碌奈锢韺W(xué)。在直接檢測(cè)到暗物質(zhì)的粒子（或至少一個(gè)粒子）之前，暗物質(zhì)的真實(shí)性質(zhì)仍將是一個(gè)謎，但存在許多暗物質(zhì)場(chǎng)景，其中不僅暗物質(zhì)有其自身的反粒子，而且暗物質(zhì)湮滅也會(huì)產(chǎn)生電子-正電子對(duì)。

每當(dāng)我們對(duì)可能導(dǎo)致可觀察到的現(xiàn)象的原因有多種可能的物理解釋時(shí)，判斷出哪一種與現(xiàn)實(shí)相匹配的關(guān)鍵，是弄清楚這些解釋之間的差異。特別是，由于暗物質(zhì)產(chǎn)生的正電子應(yīng)在特定能量（對(duì)應(yīng)于暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量）處經(jīng)歷一個(gè)截止，而由常規(guī)天體物理學(xué)產(chǎn)生的正電子應(yīng)逐漸下降。

• 圖注：在前景中可見(jiàn)的 AMS-02 的 國(guó)際空間站（ISS） 外部視圖。AMS-02實(shí)驗(yàn)儀器于2011年安裝，迄今為止，它按類(lèi)型和能量提供了我們對(duì)宇宙射線的最佳測(cè)量。

2011年，啟動(dòng)了阿 爾 法（Alpha）電磁光譜儀實(shí)驗(yàn)（AMS-02），目的是進(jìn)一步調(diào)查這個(gè)奧秘。在“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)的最后任務(wù)到達(dá)國(guó)際空間站后，它迅速建立并開(kāi)始在3天內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送回地球。在運(yùn)行階段，它每年收集和測(cè)量超過(guò)一百億顆宇宙射線粒子。

AMS-02的杰出之處在于它不僅可以測(cè)量宇宙射線粒子，而且還可以按類(lèi)型和按能量對(duì)它們進(jìn)行分類(lèi)，從而為我們提供了前所未有的數(shù)據(jù)集，以評(píng)估正電子是否由暗物質(zhì)組成。在低能量下，數(shù)據(jù)與宇宙射線與星際介質(zhì)碰撞的預(yù)測(cè)相吻合，但在更高的能量下，其他東西顯然在起作用。

• 圖注：如果AMS-02實(shí)驗(yàn)沒(méi)有發(fā)生任何故障或需要維修，它將收集足夠的數(shù)據(jù)以區(qū)分脈沖星（藍(lán)色）或湮滅暗物質(zhì)（紅色）作為過(guò)量正電子的來(lái)源。無(wú)論哪種方式，宇宙射線與星際介質(zhì)的碰撞都只能解釋低能信號(hào)，而對(duì)高能信號(hào)則需要另一種解釋。

顯然，用暗物質(zhì)已經(jīng)不能解釋在高能下過(guò)量的反物質(zhì)來(lái)源。在更高的能量下，脈沖星，通過(guò)引力和電磁力的組合，將物質(zhì)粒子加速到令人難以置信的能量，在高能量下也可能產(chǎn)生峰值過(guò)量的正電子。

盡管 AMS-02 看到證據(jù)表明（在 4-西格瑪，或 99.99% 置信度），正電子得觀測(cè)能量有一個(gè)峰值，然后有一個(gè)衰減，其靈敏度和事件速率逐漸消失在使我們能夠區(qū)分脈沖星產(chǎn)生的正電子信號(hào)與湮滅暗物質(zhì)產(chǎn)生的正電子信號(hào)的能量類(lèi)型上。由于太空行走目前正在進(jìn)行，試圖修復(fù)AMS-02，并將其重新聯(lián)機(jī)繼續(xù)觀測(cè)，它最終可能收集足夠的數(shù)據(jù)，以自行識(shí)別脈沖星或暗物質(zhì)是否最適合這些數(shù)據(jù)。

• 圖注：和所有脈沖星一樣，維拉脈沖星就是中子星殘骸的一個(gè)例子。周?chē)臍怏w和物質(zhì)很常見(jiàn)，能夠?yàn)檫@些中子星的脈沖行為提供燃料。中子星大量產(chǎn)生物質(zhì)反物質(zhì)對(duì)以及高能粒子，這提供了它們（而不是暗物質(zhì)）對(duì)AMS-02觀測(cè)到的多余信號(hào)的可能性。

但是，有兩種以上的方法可以將這兩種情況區(qū)分開(kāi)，因?yàn)槊}沖星產(chǎn)生的正電子還應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)額外的信號(hào)，該信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了AMS-02或任何宇宙射線實(shí)驗(yàn)可以檢測(cè)到的測(cè)量范圍：伽馬射線。

如果脈沖星真正產(chǎn)生了可能對(duì)宇宙射線實(shí)驗(yàn)所看到的信號(hào)負(fù)責(zé)的正電子，那么這些正電子中的很大一部分將很不幸地與星際介質(zhì)中的電子發(fā)生碰撞，很久之后它們才到達(dá)我們的宇宙射線探測(cè)器。當(dāng)正電子與電子碰撞時(shí)，它們會(huì)湮滅，每個(gè)反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生兩束具有非常特定的能量特征的伽馬射線：511 keV 的能量，也就是從愛(ài)因斯坦的E = mc2獲得的電子（或正電子）質(zhì)量的余能當(dāng)量。

• 圖注：純能量產(chǎn)生物質(zhì)/反物質(zhì)對(duì)（左）是一種完全可逆的反應(yīng)（右圖），物質(zhì)/反物質(zhì)會(huì)湮滅變成純能量。當(dāng)光子被創(chuàng)建然后被破壞時(shí)，它會(huì)同時(shí)經(jīng)歷這些事件，而根本無(wú)法經(jīng)歷其他任何事情。如果在動(dòng)量中心（或質(zhì)量中心）靜止幀中操作，粒子/反粒子對(duì)（包括兩個(gè)光子）將以 180 度角彼此拉開(kāi)，其能量等于愛(ài)因斯坦的 E = mc2 定義的每個(gè)粒子的靜止質(zhì)量等效物。

但是，脈沖星理論上應(yīng)該能夠?qū)⑦@些電子和正電子加速到非常高的能量：即使是世界上最強(qiáng)大的地面粒子加速器大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)也難以達(dá)到的能量。當(dāng)光子（甚至是正常能量的星光）與這些超相對(duì)論（近光速）粒子相互作用時(shí)，它們可以通過(guò)稱為逆康普頓散射的過(guò)程而被激發(fā)獲得非凡的能量。

根據(jù)諸如脈沖星的屬性，脈沖星附近的物質(zhì)，產(chǎn)生的電子和正電子以及附近存在的星光數(shù)量之類(lèi)的物理參數(shù)，將為此過(guò)程生成的光子創(chuàng)建特定的能譜。將它們加總為附近所有相關(guān)的脈沖星，并且伽瑪射線特征可能表明脈沖星而不是暗物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致該正電子過(guò)量。

• 圖注：以光速行進(jìn)的粒子可以與星光相互作用并將其提升為伽馬射線能量。該動(dòng)畫(huà)顯示了該過(guò)程，稱為逆康普頓散射。當(dāng)從微波到紫外線波長(zhǎng)范圍的光與快速移動(dòng)的粒子碰撞時(shí)，這種相互作用會(huì)將其增強(qiáng)為伽馬射線，這是最有能量的光形式。

大約800光年之遙，按照天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)是非常接近的，可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)天空中最明亮的伽馬射線脈沖星之一：Geminga。它僅在1972年被發(fā)現(xiàn)，并在1991年被揭示出來(lái)，當(dāng)時(shí)ROSAT任務(wù)測(cè)量了中子星以每秒4.2轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)的證據(jù)。

快進(jìn)到今天，NASA的費(fèi)米大面積望遠(yuǎn)鏡（具有大大提高的空間和能量分辨率）現(xiàn)在是世界上最先進(jìn)的伽馬射線觀測(cè)站。通過(guò)減去宇宙射線與星際氣體云碰撞產(chǎn)生的伽馬射線信號(hào)，可以揭示來(lái)自星光與加速電子和正電子相互作用的殘余信號(hào)。

研究人員看到的是驚人的：一個(gè)與能量有關(guān)的信號(hào)，最大范圍以AMS-02最敏感的確切能量跨越天空約20度。

• 圖注：Geminga 的伽馬射線光暈?zāi)Ｐ惋@示了發(fā)射在不同能量下的變化，這是兩種效應(yīng)的結(jié)果，第一種是脈沖星在十年間在太空中的快速運(yùn)動(dòng)，費(fèi)米的大面積望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到它。其次，低能量粒子在與星光相互作用之前，會(huì)從脈沖星上走得更遠(yuǎn)，并將其增強(qiáng)為伽馬射線能量。這就是為什么伽馬射線在較低的能量發(fā)射覆蓋更大的區(qū)域。

解釋這種輝光會(huì)隨著費(fèi)米注視著越來(lái)越高的能量而減小，并通過(guò)利用康普特逆散射與脈沖星在星際空間中的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的方式來(lái)完美擬合模型。根據(jù)費(fèi)米最近的一項(xiàng)研究的合著者菲奧倫扎·多納托（Fiorenza Donato）的說(shuō)法，該研究測(cè)量了來(lái)自Geminga的伽馬射線，

“低能粒子在進(jìn)入星光之前會(huì)從脈沖星傳播更遠(yuǎn)，將部分能量轉(zhuǎn)移到星光上，并將光增強(qiáng)為伽馬射線。 這就是為什么伽馬射線發(fā)射在較低能量下覆蓋更大面積的原因。此外，由于脈沖星在太空中的運(yùn)動(dòng)，Geminga 的光環(huán)有所延長(zhǎng)。”

僅來(lái)自Geminga的伽馬射線的測(cè)量結(jié)果表明，這一脈沖星可能是AMS-02實(shí)驗(yàn)所觀察到的高能正電子的20％。

• 圖注：此動(dòng)畫(huà)顯示以脈沖星 Geminga 為中心的天空區(qū)域。第一張圖片顯示了費(fèi)米大區(qū)域望遠(yuǎn)鏡在過(guò)去十年中探測(cè)到的伽馬射線總數(shù)，其能量為8至1000億電子伏特（GeV）——可見(jiàn)光能量的數(shù)十億倍。通過(guò)移除所有明亮的光源，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了脈沖星微弱的、延伸的伽馬射線光環(huán)，并得出結(jié)論，這一脈沖星可能負(fù)責(zé)AMS-02實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的20%的正電子。

每當(dāng)我們測(cè)量或觀察到無(wú)法解釋的現(xiàn)象時(shí)，它就會(huì)給科學(xué)家?guī)?lái)誘人的可能性：也許有一些新事物正在發(fā)揮作用，超出了目前已知的范圍。我們知道，關(guān)于宇宙的奧秘需要某種程度的新物理學(xué)，例如暗物質(zhì)，暗能量或宇宙物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性之類(lèi)的奧秘，但其終極解決方案尚未發(fā)現(xiàn)。

但是，在量化和解釋代表已知事物的所有事物之前，我們無(wú)法為新發(fā)現(xiàn)提供證據(jù)。通過(guò)考慮脈沖星的影響，由阿爾法（Alpha）電磁光譜儀合作觀察到的正電子過(guò)量，完全可以由常規(guī)的高能天體物理學(xué)解釋?zhuān)鵁o(wú)需暗物質(zhì)。目前看來(lái)，脈沖星可能是所觀測(cè)到的過(guò)量反物質(zhì)產(chǎn)生原因，這要求科學(xué)家回到繪圖板上獲取直接信號(hào)，以揭示我們宇宙難以捉摸的暗物質(zhì)。