重大發(fā)現(xiàn)！銀河系中心的神秘光芒，是宇宙最基本的法則？

在銀河系中心，有一種由伽馬射線發(fā)出的神秘漫射光——伽馬射線通常由快速旋轉(zhuǎn)或爆炸的恒星等高能物體發(fā)出的強大輻射。

美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠鏡在2008年發(fā)射后不久就檢測到了這種光芒，從那時起，這種光就一直讓科學家們感到困惑，引發(fā)了人們對其原因的猜測。

一些天文學家認為輝光的來源是脈沖星——爆炸恒星的旋轉(zhuǎn)殘余物——而另一些天文學家則指出暗物質(zhì)粒子的碰撞，暗物質(zhì)是一種難以捉摸且看不見的物質(zhì)形式，據(jù)信其豐度是普通物質(zhì)的五倍。

許多研究此前都發(fā)現(xiàn)這兩種觀點得到支持，但暗物質(zhì)理論似乎存在問題：伽馬射線輝光似乎與銀河系凸起的形狀相匹配——銀河系中心一個擁擠的球狀區(qū)域，主要由包括脈沖星在內(nèi)的舊恒星組成。這一觀察結(jié)果似乎支持了脈沖星理論，專家推測，如果其來源是暗物質(zhì)，這種光芒會呈現(xiàn)出更球形的形式。然而，天文學家還無法觀測到足夠多的產(chǎn)生伽馬射線的脈沖星來做出結(jié)論性的評估。

現(xiàn)在，使用超級計算機進行的新模擬首次表明，暗物質(zhì)碰撞也可能產(chǎn)生凸起狀的輝光，從而增加了暗物質(zhì)理論的分量。

“我們處于兩種理論的情況下，一種是假裝暗物質(zhì)并聲稱它可以解釋我們看到的數(shù)據(jù)，另一種是古老的恒星，”約翰霍普金斯大學物理和天文學教授約瑟夫·西爾克說，他是一項研究的合著者，詳細介紹了新發(fā)現(xiàn)，周四發(fā)表在《物理評論快報》雜志上。

“在我看來，目前有50%的可能性可能是暗物質(zhì)，而不是對老恒星的稍微更平凡的解釋。”

暗物質(zhì)的證據(jù)將帶來突破性的發(fā)現(xiàn)。瑞士天文學家弗里茨·茨威基 （Fritz Zwicky） 在 1930 年代首次提出了暗物質(zhì)存在的理論，美國天文學家維拉·魯賓 （Vera Rubin） 和 W. 肯特·福特 （W. Kent Ford） 在 1970 年代證實了這一點。他們注意到在螺旋星系邊緣運行的恒星移動得太快，無法僅靠可見物質(zhì)和引力將它們固定在一起，并假設(shè)存在大量看不見的物質(zhì)阻止它們飛散。盡管經(jīng)過數(shù)十年的努力，科學家們從未直接觀察到這種神秘物質(zhì)，因此得名。

“毫無疑問，暗物質(zhì)的性質(zhì)是物理學中突出的主要問題之一，”西爾克說。“這是無處不在的東西——靠近我們，遠離我們，我們只是不知道它是什么。”

關(guān)于暗物質(zhì)可能是什么有很多假設(shè)，包括原始黑洞的殘余物或未被發(fā)現(xiàn)的粒子類型。尋找暗物質(zhì)的大部分努力都集中在后一種想法上，導(dǎo)致了探測器的建造，例如南達科他州的LZ暗物質(zhì)實驗。

該儀器旨在發(fā)現(xiàn)領(lǐng)先的暗物質(zhì)候選者之一，即稱為WIMP（弱相互作用大質(zhì)量粒子）的假設(shè)粒子，它們不吸收光，幾乎可以無縫穿過常規(guī)物質(zhì)。科學家們認為，當兩個WIMP相遇時，它們會相互湮滅并產(chǎn)生伽馬射線，這將使它們成為發(fā)光的合理來源。

西爾克的研究使用超級計算機創(chuàng)建了暗物質(zhì)在銀河系中的位置地圖，同時考慮到了銀河系最初的形成方式。

“問題是，過去20年來我們銀河系中暗物質(zhì)的所有模型都假設(shè)它基本上就像一個球形球。它沒有形狀，因為那是最簡單的模型，“西爾克說。

“我們的貢獻是第一次對暗物質(zhì)分布進行真正的計算機模擬。你瞧，我們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的中心部分，伽馬射線將被發(fā)射的地方，實際上被壓扁了——更像是蛋形的。Silk 解釋說，這種壓扁的形狀與費米望遠鏡的數(shù)據(jù)非常匹配。

幸運的是，確認暗物質(zhì)和輝光之間的聯(lián)系可能不會太遠。一種新儀器，切倫科夫望遠鏡陣列天文臺（CTAO），正在兩個地點建設(shè)中——一個在智利，另一個在西班牙——最快將于 2027 年開始返回數(shù)據(jù)。

西爾克說，CTAO將以比費米高得多的分辨率檢測伽馬射線，從而可以判斷銀河系中心的伽馬射線是否是暗物質(zhì)碰撞的產(chǎn)物。

他說，這一發(fā)現(xiàn)將是尋找這種難以捉摸的物質(zhì)的突破，并提供至少一些暗物質(zhì)由 WIMP 構(gòu)成的證據(jù)。相反，如果 CTAO 沒有將光芒與暗物質(zhì)聯(lián)系起來，科學家們就會回到原點，所有選擇都擺在桌面上。

麻省理工學院物理學教授特雷西·斯萊蒂爾 （Tracy Slatyer） 表示，這項研究有助于重新打開暗物質(zhì)可以解釋我們銀河系中心的光芒的可能性，盡管它沒有提供支持暗物質(zhì)的新積極證據(jù)，他沒有參與這項研究。然而，她并不相信暗物質(zhì)分布的形狀與恒星凸起之間存在明確的匹配。“甚至在這項研究之前，我認為暗物質(zhì)假說仍然是合理的，”她說道。

倫敦大學學院物理和天文學教授 Chamkaur Ghag 表示，這項工作進一步支持了國際社會繼續(xù)推動尋找 WIMP 的努力，他也沒有參與 Silk 的研究。“它們?nèi)匀皇墙鉀Q長期存在的暗物質(zhì)問題的最優(yōu)雅的解決方案，”加格通過電子郵件指出隨著更多 WIMP 探測器正在開發(fā)中，看到這些粒子在太空中湮滅的信號將意味著解決近一個世紀的暗物質(zhì)之謎。

邁阿密大學物理系副教授尼科·卡佩盧蒂（Nico Cappelluti）表示，費米望遠鏡已經(jīng)改變了美國宇航局的游戲規(guī)則，這篇論文表明，暗物質(zhì)仍在競相解釋我們銀河系中心的奇怪光芒。“這個謎團是活著的，正是那種讓像我這樣的科學家徹夜難眠的謎團，”沒有參與這項研究的卡佩盧蒂說。

他說，弄清楚什么是暗物質(zhì)一直是我們本世紀的科學追求，并指出“WIMP，這些假設(shè)的粒子，多年來一直是我們的假想并尋找的對象。他說，地球上的實驗還沒有發(fā)現(xiàn)它們，這一事實令人沮喪。

“但費米給了我們一個繼續(xù)相信的理由。這篇論文提醒我們暫時不要將 WIMP 從名單上劃掉——它們可能仍在照亮我們銀河系的中心，“卡佩盧蒂說，“如果這是真的，那么我們比以往任何時候都更接近揭開宇宙的基本秘密。”