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“钱德拉数据检验"万物理论"。来自诺丁汉大学的天文学家加入了一个国际团队，探索了物理学中最重要的想法之一 - 所有已知的力量、粒子和相互作用可能会在一个框架中相互连接。弦理论可以说是目前最著名的“万物理论”提议，可以将我们对物理宇宙的理解联系在一起。尽管弦理论在物理学界已经存在多个不同版本数十年，但实验测试非常有限。然而，使用NASA的钱德拉X射线天文台，天文学家现在在这一领域取得了重要进展。通过搜索银河系团，这是由引力维持在一起的宇宙中最大的结构，研究人员能够寻找弦理论预测应该存在的特定粒子。虽然结果中并未发现这些粒子，但这并不完全排除了弦理论，但确实给该理论家族中的某些模型造成了打击。领导这项研究的英国剑桥大学的克里斯托弗·雷诺兹表示：“直到最近，我还不知道X射线天文学家在弦理论方面提供了多少帮助，但我们可以起到重要作用。如果这些粒子最终被发现，它们将永久改变物理学。”雷诺兹和他的同事正在寻找的这种粒子被称为“轴子”。这些尚未被发现的粒子应该具有极低的质量。科学家们不知道确切的质量范围，但许多理论都包括了轴子质量从约电子质量的百万分之一到零质量不等的范围。一些科学家认为轴子可能解释暗物质之谜，这占据了宇宙中绝大部分的物质。这些超低质量粒子的一个不同寻常的特性是，它们可能在穿越磁场时有时会转换成光子（即光子包）。相反的情况也可能是真的：在某些条件下，光子也可能转化为轴子。这种转变发生的频率取决于它们的转变易程度，换句话说就是它们的“转变性”。一些科学家已经提出了一个更广泛的超低质量粒子类，具有类似于轴子的属性。轴子在每个质量点上会有一个单一的转变性值，但“类轴子粒子”在同一质量点上会有一些不同转变性的粒子。某种程度上，虽然在巨大的银河系团这样的结构中寻找轴子这样的微小粒子似乎有些牵强，但事实上这里是很好的寻找地点。”“银河系团包含了覆盖巨大距离的磁场，并且通常包含明亮的X射线源。这两个特性共同增加了轴子粒子转换性被检测到的机会。”为了寻找轴子类粒子的转变迹象，天文学家团队对钱德拉观测的持续五天的普尔修斯星系团中心超大质量黑洞吞噬物质的X射线进行了研究。他们研究了这个光源的钱德拉谱，或者在不同能量下观察到的X射线发射量。长时间的观测和光源的明亮度给出了足够灵敏度的谱图，使科学家们可以看到如果存在类轴子粒子，其谱图应该显示出的扭曲。”“这些扭曲的不发现使得研究人员能够排除大多数种类的类轴子粒子在他们观测敏感范围内的存在，这范围在电子质量的百万分之一以下。”“最近的结果比以前最佳的轴子类粒子搜索敏感度高出三到四倍，这是来自钱德拉对M87超大质量黑洞的观测的最好搜索。这项普尔修斯研究的能力也是当前在地球上进行的实验测量的一百倍，这些实验考虑到的质量范围。很明显，这项工作的什么解释是轴子类粒子不存在。另一种解释是，这些粒子的转变性值甚至低于这个观测结果的检测极限，也低于一些粒子物理学家的预期。它们也可能具有更高的质量，超出了通过钱德拉数据所探测到的范围。”“描述这些结果的一篇论文出现在2020年2月10日Astrophysical Journal期刊上，并在网上可以获得。除了雷诺兹、马什和拉塞尔之外，这篇论文的作者还包括剑桥大学的安德鲁·法比安、马里兰大学的罗宾·史密斯、罗马大学的弗朗切斯科·汤姆贝西和马里兰大学的西尔文·维约。NASA的马歇尔航天飞行中心管理着钱德拉项目。史密森尼天体物理观测所的钱德拉X射线中心负责剑桥和马萨诸塞州伯灵顿的科学和飞行行动管理。”
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来自诺丁汉大学的天文学家与国际团队一起探索物理学中最重要的理念之一 - 所有已知的力量、粒子和相互作用是否可以在一个统一的框架中联系起来。
弦理论被认为是“万物理论”的最著名提议，将完整地连接我们对物质世界的理解。
尽管弦理论在物理学界流传多年，有许多不同版本，但实验测试并不多。然而，使用NASA的钱德拉X射线天文台，天文学家现在在这一领域取得了重要的进展。
通过搜索星系团，这是宇宙中被引力固定在一起的最大结构，研究人员可以寻找弦理论预测应该存在的特定粒子。虽然结果表明未检测到这种粒子并不完全排除弦理论，但却对该类思想家族中的某些模型造成打击。
领导这项研究的英国剑桥大学的克里斯托弗·雷诺兹表示：“直到最近，我不知道X射线天文学在弦理论中扮演多重要的角色，但我们可能扮演一个重要的角色。如果最终检测到这些粒子，它将永远改变物理学。”
雷诺兹和他的同事们寻找的粒子被称为“轴子”。这些尚未被观测到的粒子应该具有极低的质量。科学家们不清楚粒子的确切质量范围，但许多理论中轴子的质量范围大约从电子质量的一百万分之一到零质量。有些科学家认为轴子能够解释暗物质之谜，而暗物质占据了宇宙中绝大部分的物质。
这些极低质量粒子的一个不寻常的特性是，它们有时可能在穿过磁场时转化为光子（即光的粒子）。相反的情况也可能成立：在某些条件下，光子也可能转化为轴子。这种转变发生的频率取决于它们在磁场中的转化程度，换句话说取决于它们的“可变性”。
一些科学家提出存在一类更广泛的类似轴子的超低质量粒子。轴子在每个质量点上将具有单一的可转化值，而“类轴子粒子”在相同质量上将具有一系列可转化值。
“尽管在星系团这样巨大的结构中寻找轴子这样微小的粒子听起来可能有些不切实际，但这实际上是一个很好的搜寻地点，”来自瑞典斯德哥尔摩大学的合著者大卫·马什表示。“星系团包含着巨大范围内的磁场，它们也常常包含明亮的X射线源。这些特性共同增加了轴子类粒子转化可检测性的机会。”
为了寻找类轴子粒子的转变迹象，天文学家团队观察了钱德拉X射线天文台对Perseus星系团中心的超大质量黑洞周围物质的X射线观测，共持续了五天。他们研究了这一源的钱德拉光谱，或者说不同能量下观测到的X射线发射量。长时间的观测和明亮的X射线源使得光谱具有足够的灵敏度，能够显示出科学家预期如果存在类轴子粒子的话所期待的扭曲。
缺乏这种扭曲的检测结果使研究人员能够排除他们的观测敏感范围内大约低于一个亿分之一电子质量的大部分类型的类轴子粒子。
这些结果的论文发表在2020年2月10日的《天体物理学杂志》上，可在线获取。
