我们生存的这个蓝色星球有多重?可通过中微子测量

2018年11月11日 09:12 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间11月11日消息,尽管我们已经突破了大气层,可以从太空中俯瞰地球,但我们仍然不知道这个蓝色星球到底有多重,以及它的重量是如何分布的。当然,研究者已经做了一些尽可能准确的估计。根据加州理工学院的数据,地球在一个类似地球的重力场中,其重量为5.974×10^24千克。

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资料图

不过,这个数字来自基于地球重力的间接计算方法。科学家还尝试过用地震波来计算地球质量的分布,但结果并不十分精确。

于是,来自西班牙微粒子物理研究所(Instituto de Física Corpuscular)的研究团队想出了一个巧妙的方法,通过宇宙中一种神秘的粒子来探索地球的质量分布。这种极轻的宇宙粒子便是中微子,需要用特殊的探测器才能捕捉到它们的踪迹。

在发表于11月5日《自然-物理学》(Nature Physics)杂志的论文中,研究人员采用南极洲冰立方中微子观测站(IceCube)的数据,对地球的密度分布进行了估算。冰立方可以感知到来自各个方向的中微子,包括那些穿过整个地球的中微子。

中微子是一种电中性的基本粒子,质量相比其他亚原子粒子而言非常微小。在4种基本作用力中,它们不参与电磁相互作用和强相互作用,只参与弱相互作用和引力相互作用。由于弱相互作用的作用距离非常短,而引力相互作用在亚原子尺度下十分微弱,因此中微子在穿过一般物质时不会受到太多阻碍,而且非常难以检测到。在穿过像地球这样巨大、密集的物体时,一些中微子最终会与其他物质碰撞并消失。特别是高能中微子,它们经常与其他物质碰撞,很少能穿过地球。

利用IceCube采集的穿过地球的中微子数据,研究人员进行了逆向计算,估计出有多少中微子未能穿过地球到达IceCube。由此,他们对阻挡这些中微子的物质质量,以及这些质量的分布进行了较为准确的估算。从某种程度上,他们是通过研究中微子的影子计算出了地球的质量。

从结果对比来看,这种方法应该是可行的。研究人员估算的结果是,地球重量约为6×10^24千克,与加州理工学院的估算结果差不多。他们还测量了地核的质量,约为2.72×10^24千克,相当于地球总质量的45%,显著高于地震波方法测量的结果,后者估计地核质量占地球总质量的33%。

在《自然-物理学》杂志上一篇随附的新闻观点文章中,巴黎第七大学天文学和宇宙学实验室的天体物理学家Véronique Van Elewyck表示,这项研究是很好的“概念证明”。Van Elewyck并未参与该研究,她指出,再过10年到15年,研究者将很可能会使用这类计算方法来探测地球内部。

当然,为了获得更精确的计算结果,科学家还需要更多来自IceCube和其他中微子探测站的数据。这种方法是否比其他计算地球质量和探测地球内部特征的方法更有效,还有待进一步研究验证。这一方法还可能帮助科学家了解地球的所有质量是否都来自普通物质,也许一些质量属于会避开中微子的物质,比如暗物质。

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