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银河系中的“暗物质信号”，可能是乌龙？

晰数塔互联网快讯
2020-03-31 10:32

我们都知道它的存在，但它看不见、摸不着，没有人知道它到底是什么——这就是暗物质。现在，科学家可以确定它几乎填满整个宇宙，占据了宇宙物质质量的85%，但依然无法确定这种神秘的物质是由什么组成的。

一段时间以来，天体物理学家格外关注宇宙中的两股神秘信号，因为它们可能源于暗物质：银河系中心大量难以解释的伽马射线信号，以及在其他星系和星系团中观测到的X射线峰。这些信号被认为是暗物质自我湮灭并衰变所生成的粒子。然而，最近发表的两篇论文似乎让这种可能性下降了，但也引发了更激烈的争论。

本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：克拉拉·莫斯科维茨（Clara Moskowitz），翻译：王语嫣，审校：吴非，题图来自NASA

一些科学家认为，靠近银河系中心的“暗物质晕”，正是暗物质衰变留下的痕迹。图片来源：Christopher Dessert, Nicholas Rodd, Benjamin Safdi, Zosia Rostomian, Fermi Large Area Telescope

3.5 KeV线

2014年，天文学家在利用XMM牛顿望远镜观测英仙座星系团的放射光谱时，在能量3.5 千伏特（KeV）处看到一条明亮峰线，即所谓“X射线峰”。随后，在很多的星系和星系团（包括我们的近邻仙女座星系）中都观测到这样的信号。这个发现在当时非常振奋人心，因为一种暗物质候选粒子——惰性中微子——可以衰变为可见物质，并释放出和观测结果一致的辐射。

最近，密歇根大学的本杰明·萨弗蒂（Benjamin Safdi）与同事分析了XMM牛顿望远镜观测到的大量数据后，决定通过这种方式在银河系中寻找X射线峰。如果该辐射来源的确是暗物质衰变，那么在银河系的暗物质晕中，也应该能探测到这样的信号。

他们观测了银河系较为空旷的天区，寻找3.5 KeV 处的X射线峰。在近期的《科学》杂志上，他们公布了研究成果。经过大约一年的观测和曝光，“遗憾的是，我们什么都没看到，”萨弗蒂说，“根据我们的结果，‘3.5KeV X光辐射源于暗物质’这一假说成立的可能性大幅下降了。”

结案了吗？也并不是。很多天文学家对这项研究采用的方法提出了质疑，他们认为X射线峰还是很可能在银河系中存在，并依旧可以看做是暗物质存在的强力证据。“我对这篇论文的技术部分持保留态度，”迈阿密大学的尼科·卡佩卢蒂（Nico Cappelluti）说，“他们采用的技术并不标准，所以我认为由此得出的结论有些草率。”另一位物理学家，荷兰莱顿大学的阿列克谢·博亚尔斯基（Alexey Boyarsky）态度更加直接：“我认识的大部分专家都认为这篇论文的主要结论是错的，我看不出来他们如何从数据中得到这条不存在的结论。”

博亚尔斯基和团队也使用了XMM-Newton的数据来搜寻银河系的X射线峰，并在2018年12月发表了一篇预印本文章，宣称在银河系中探测到了X射线峰，且结果具有显著的统计学意义。博亚尔斯基认为，造成结论不同的原因是萨弗蒂团队分析的能量范围太窄，因此无法准确地从需要探测的“X射线峰”数据中去除宇宙背景辐射。

萨弗蒂则坚称他的方法尽管此前没有在X射线天文学中应用过，但在粒子物理领域，比如在大型强子对撞机中所进行的寻找暗物质的实验中，已经证明了该方法的有效性。萨弗蒂说：“我们的观点是，我们使用的数据分析方法更加稳健，它不会让你先入为主地认为自己看到了一些实际上不存在的东西。”对于博亚尔斯基团队的结果，萨弗蒂说：“我的猜测是，他们得到的结果只是统计波动或是系统误差。”

然而，还是有很多科学家认为X射线信号是我们了解暗物质的一种非常可行的方式。“我认为，对于3.5 KeV线，我们需要新技术的辅助才能得到有意义的结论。”马克斯·普朗克地外物理研究所的埃斯拉·布尔布利（Esra Bulbul）说。2014年，正是她和同事首次探测到了3.5 KeV线。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）主导的XRISM项目将于2022年发射，届时我们应该能知道这条谱线是否存在并符合暗物质的特点。“在那之前，我不会下结论否定这条谱线起源于暗物质的可能性。”布尔布利说。

暗物质湮灭

银河系中另一个有可能指向暗物质的信号，是银河系中心来源不明的伽马射线——一些天文学家认为这些射线源自暗物质的湮灭。在这个假说中，暗物质可以同时是物质及反物质。这样，当两个暗物质粒子相遇时，它们就会互相湮灭，并在此过程中形成伽马射线。

2009年，费米伽马射线太空望远镜首次发现了该信号，从那时起，科学家就对其起源争论不休。尽管这些伽马射线信号可以用暗物质模型来解释，但还有一种更加平淡的解释：它们可能只是由银河系中心旋转的中子星（也就是脉冲星）发出的。

韩国天文和空间研究所的莱恩·E·基利（Ryan E. Keeley）和科维理宇宙物理学与数学研究所的奥斯卡·马西亚斯（Oscar Macias）在一项新研究中，分析了银河系中心伽马射线的空间分布和能量。研究人员发现，相比于暗物质的解释，这些射线更符合银河系中心恒星、气体及星系射线的分布。“这样一来，问题来了：留给暗物质的可能性还有多少？”加州大学尔湾分校的克沃尔科·阿巴扎吉安（Kevork Abazajian）说，他也是本篇论文作者之一。这篇论文已被提交至Physical Review D，并发表到了预印本网站。根据这篇论文的结论，伽马射线来自于暗物质的可能性不大。“我们现在对暗物质湮灭持保留的态度。”

但同样，对于这个结论，科学家还无法盖棺定论。麻省理工学院的物理学家特蕾西·斯拉蒂耶（Tracey Slatyer）说：“这项分析的思路很棒，但它取决于我们目前对银河系背景辐射的模型是否足够准确。我担心的是，如果模型不够准确，这个结论也无法得出。”

最近几年，一些研究发现银河系中心那些过量的伽马射线很可能是由单独的“点光源”——比如脉冲星——发出来的。如果这些射线起源于暗物质，那我们应该能观测到均匀分布的辐射，这与实际观测结果不一致。然而斯拉蒂耶和她的同事丽贝卡·利恩（Rebecca Leane）发现，一种系统误差会导致结果偏向于脉冲星，而实际上脉冲星的可能性并不比暗物质更大。斯拉蒂耶说：“这不意味着点光源就一定是错的，或是那些伽马射线一定源自暗物质。但对于那些认为伽马射线来自点光源的研究，我们得小心看待。”

存在危机

最终，关于暗物质的争论依旧存在。新研究说明了这些神秘信号可能并不是如我们所想的来自于暗物质，这是否意味着暗物质可能根本不存在？“不是，”阿巴扎吉安说，“暗物质粒子的理论与我们观测到的现象是如此契合，从亚星系尺度到整个宇宙的边缘。毫无疑问，暗物质是存在的。”

尽管绝大多数科学家对于暗物质存在的坚信无法动摇，但他们找到暗物质的希望又减少的一分。不仅是现有的天体物理学的证据难于捉摸，直接通过实验来捕捉暗物质粒子的尝试也未能取得进展。大型强子对撞机（LHC）中的研究，目前为止还没有成果。“我们在实验室里看不到，在LHC里看不到，在太空中也看不到（暗物质粒子），”阿巴扎吉安感叹道，“粒子物理学仿佛出现了一种存在性危机。”

而科学家捕捉暗物质粒子的失败，使得暗物质的真实“身份”更加迷雾重重。之前最热门的候选者，大质量弱相互作用粒子（WIMPs），由于在实验中没有出现——或者由于阿巴扎吉安论文中的计算结果，可能性下降了。“之前人们所认为的很多暗物质候选者被排除了，”萨弗蒂说。“很多人以为WIMPs几乎一定存在。某种程度上讲，这的确是一段艰难的时期。但换个角度想，这也是非常令人激动的。因为现在我们都在集思广益，回到最基础的地方，来探讨暗物质到底可能是什么。”

原文链接：

https://www.scientificamerican.com/article/milky-way-dark-matter-signals-in-doubt-after-controversial-new-papers/

本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：克拉拉·莫斯科维茨（Clara Moskowitz），翻译：王语嫣，审校：吴非