銀河系中心或發現暗物質湮滅跡象

費米望遠鏡對銀河系中心的成像圖顯示出過剩的伽馬射線(紅色意味著最強的強度)，而這無法用常規的放射源來解釋假如是這樣的話，NASA的費米太空望遠鏡採集到的信號將是史上第一次觀測到暗物質的組分粒子——正是這些粒子構成了宇宙間最鬼祟、最難以捉摸的物質，同時也是全宇宙含量最高的物質。理論上，看不見的暗物質含量遠遠超過星系、恆星以及我們之間的常見物質，然而我們卻沒有辦法直接探測到它們。費米望遠鏡曾經也窺見過一些彷如暗物質的跡象，但這次的新發現經過分析後更像是暗物質所為，因為很難用其他的星系活動來解釋。這個信號如果當真來自暗物質，那它將可能意味著一種新的亞原子粒子，甚至可能指向宇宙間一種全新的相互作用力。「我認為，這是我們最近以來得到的數據中最激動人心的了，它直接指向了暗物質，」上周六普渡大學的物理學家Rafael Lang在美國物理學會四月會議上說道(他並沒有參與該項研究)。然而，這個詭異的信號還是有可能源自於平凡的事件，比如被稱為脈衝星的自轉恆星。「這個信號，作為可能的暗物質信號，具有相當的吸引力，然而它本身並不足以說服我們，」MIT的Tracy Slatyer說道。他是本研究的其中一個合作作者，研究論文已經提交到《物理評論D》上。目前有關暗物質組成粒子的最權威解釋是一種「弱相互作用的帶質量粒子」(WIMP粒子)，然而這種理論上的粒子至今尚未被探測到。WIMP粒子自身構成其反粒子，因而它們的碰撞可以直接導致雙方湮滅，正如物質與反物質的碰撞那樣。湮滅之後的產物或者是可以進一步釋放高能光子的常規物質粒子，或者直接就是我們可以看見的光子。由於銀河系中央的暗物質應該最為稠密，因此那裡是觀測暗物質湮滅最好的地方。費米望遠鏡一直在巡天搜索高能的伽馬射線，而最近的分析結果毫無疑問地顯示出來自銀河系的光比我們所預期的要多得多。以前的分析結果一直都欠缺說服力，這次Slatyer和她的同事只把那些可以追蹤來源方位的光子納入考慮，刪除掉來歷不明的光子——結果他們發現了一個斯塔克信號。在剩下的那個小小的樣本集里，費米望遠鏡看見了來自銀河系中心處半徑5000光年的球狀區域所均勻發出的光線。它們的能量在1到3吉電子伏(GeV)之間，比可見光的能量要強十億倍。「太突出了——它是一個對稱的信號!並且還是10000個光子，」——超出了預期的光子數目，來自斯坦福大學的Blas Cabrera說。他正參與低溫暗物質搜索項目(Cryogenic Dark Matter Search)，目前全球範圍內已經有不少像這樣的地下實驗，主要是為了搜尋到與常規物質粒子直接發生作用的罕見暗物質樣本。如果這個信號果真是由暗物質產生的，根據Slatyer及其同事的計算結果那些看不見的暗物質粒子會達到光子的30到35倍的重量，約30到35GeV。這倒讓Cabrera感到非常奇怪：這樣高能的粒子早就應該在我們的直接探測搜捕行動中暴露了自己。「我們的儀器已經調試好具備30GeV量級的敏感度，」他說。按道理我們在瑞士的大型強子對撞機(LHC)中就應該發現它了呀。「如果這當真是暗物質粒子，那麼它成功地在星系中央現身而在LHC或其他直接探測實驗中隱身的事實，卻告訴了我們它們的相互作用還藏著相當有趣的事情。」比方說，根據基本理論的預測暗物質粒子與常規粒子的相互作用是通過傳遞一個Z玻色子或者希格斯玻色子來進行的(傳遞Z玻色子對應於弱力，而希格斯波色子則對應於對稱破缺賦予質量的機制)。但如果只是這兩種相互作用形式的話，對暗物質的直接探測實驗早就應該看見了質量高達30GeV的暗物質粒子。有這麼一種可能性：除開Z粒子與希格斯玻色子以外，暗物質與常規粒子的作用或以一種新的粒子為中介，那將意味著一種新的自然界第五基本相互作用機制。「假如在尋找暗物質的過程中發現了一種新的自然基本力，這實在讓人激動，」Slatyer說。然而費米望遠鏡得到的信號或許壓根不是源自暗物質。過量的射線也可能是來自超快自轉的脈衝星，只要它們快到每微秒自轉一整周。科學家認為恆星的磁場足以把帶點粒子加速到光速，這時達到伽馬射線波段的高能光子會被釋放出來。然而這種解釋也有好些問題。來自哥倫比亞大學的脈衝星專家Slavko Bogdanov說：「相比起已探測到的信號，微秒自轉的脈衝星在低能範圍(低於大約1GeV)理應有更多的伽馬射線釋放。」再者，銀河系中央的獨立脈衝星的數目遠不足以產生這樣的光。「這必須是一種我們前所未見的脈衝星，」加州大學歐文分校的天文學家Kevork Abazajian說。他自行獨立地研究了費米望遠鏡得到的信號。這是一種更清晰明顯的可能性，他說，「把這歸因於一類新的脈衝星，顯然要比歸因於一種全新的物質來得簡單自然。」一個更具決定性的測試是去觀測圍繞銀河系的矮星系群內部所發出過剩伽馬射線。這些地方被認為是暗物質非常稠密的分布地，所以加入暗物質會湮滅的話，那麼這裡也會發生同樣的過程。然而已知的矮星系都很暗淡，難以研究，並且到目前為止尚未觀測到過剩的伽馬射線。很快會公布在網上的新觀測可能會發現新的矮星系，這可以成為我們的目標。「如果同樣的過剩射線自銀河系衛星(譯者註：指繞行矮星系)中發現了，並且與理論預測有同樣強度的信號，那將會讓我相信這是來自於暗物質湮滅的信號，」加州大學歐文分校的Manoj Kaplinghat說。他與Abazajian合作獨立地研究費米望遠鏡得到的信號。「當然，在我們的地下實驗室中對暗物質的直接成功探測也將會作為其決定性的佐證。」
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