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英仙座星系团 的钱德拉望远镜图像。（NASA/CXC/SAO/E.Bulbul, et al.） 在距离我们2亿光年的星系团的中心，天文学家未能发现假想的称为轴子（axion）的粒子。 这给我们相信这些粒子如何工作提出了新的界限 - 但它对弦论和描述宇宙物理原理的万物理论（Theory of Everything）的发展也具有重大意义。 英国剑桥大学的天体物理学家克里斯托弗·雷诺兹（Christopher Reynolds）表示：“直到最近，我还不知道X射线天文学能够给弦理论带来多少帮助，但我们可以发挥重要作用。” 在了解宇宙的工作原理时，我们已经开发了一些非常好的框架。一种是广义相对论，它描述物理学是如何在宏观层面上工作的。另一个是量子力学，它描述事物在原子和亚原子水平上的行为。 最大的问题是这两个框架之间的相处并不融洽。广义相对论不能缩小到量子水平，量子力学也不能放大。已经进行了很多尝试来使他们完美融合，发展出所谓的万物理论。 解决广义相对论与量子力学之间差异的最有前途的候选人之一是所谓的弦理论，该理论涉及用微小的，振动的一维弦代替粒子物理学中的点状粒子。 此外，许多弦理论模型都预测了轴子的存在 - 1970年代首次提出的超低质量粒子的假设，以解决为什么强核力遵循所谓的电荷奇偶对称性的问题，而大多数模型却说不需要。事实证明，弦论还预测了许多行为类似于轴子的粒子，称为类轴子粒子。 类轴子粒子的特性之一是，当它们穿过磁场时可以转化为光子。相反，光子在穿过磁场时可以转化为类轴子粒子。发生这种情况的可能性取决于一系列因素，包括磁场强度、行进距离和粒子质量。 雷诺兹和他的团队开始了他们的研究。他们一直在使用钱德拉X射线天文台研究一个名为NGC 1275的星系的活动星系核，该星系位于约2.37亿光年外，位于英仙座星系团（Perseus cluster）中。 他们花了八天的时间观察有关黑洞的信息，但几乎什么也没有看到。但是后来他们意识到，这些数据可以用来寻找类轴子粒子。 “从NGC1275发出的X射线需要穿过英仙座星系团的热气体，并且该气体已被磁化。” 雷诺兹解释。  “磁场相对较弱（比地球表面的磁场弱1万倍以上），但是X射线光子需要在此磁场中传播很远的距离。这意味着有足够的机会进行光子到类轴子粒子的转换（前提是类轴子粒子的质量足够低）。” 由于转换的可能性取决于X射线光子的波长，因此观察结果应显示出某种失真，因为某些波长的转换要比其他波长更有效。团队花费了大约一年的艰苦工作，但最终没有发现这种失真。 这意味着该团队可以排除他们的观测敏感度及质量范围内的轴子的存在 - 低至电子质量的十分之一左右。 英国诺丁汉大学的天文学家海伦·罗素（Helen Russell）说： “我们的研究并未排除这些粒子的存在，但绝对不能帮助解决这些问题。” “这些限制挖掘了弦理论所建议的特性范围，并可能有助于弦理论家改善其理论。” 这项研究已经发表在《天体物理学杂志》上。 |
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