暗物質或首次“現形”，科學家在銀河系中心捕捉到神秘光暈

20 世紀 30 年代，瑞士天文學家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）在觀測星系團時注意到了一個反常現象：星系團中可見物質的質量，似乎遠不足以產生足夠的引力來拉住那些高速運動的星系。

如果按照萬有引力定律，這些星系本該飛散開來，但它們卻始終正常地高速運轉著。于是他猜測：一定存在一種看不見的物質，提供了額外的引力，將它們牢牢維系在一起。

隨后的幾十年里，這個推論不斷證實。這種看不見的物質，總質量占據宇宙中約 85%。它不發光，也不反射光，被稱為“暗物質”（dark matter）。一直以來，物理學家雖然可以通過引力效應感知它們的存在，卻從未直接觀測到構成暗物質的粒子本身。因此，人類對其理解至今仍停留在理論假設階段。

而在近日，科學家或許首次“看見”了這種隱藏了近百年的宇宙幽靈。

11 月 26 日，東京大學天文學系教授戶谷友則（Tomonori Totani）在權威期刊 Journal of Cosmology and Astroparticle Physics《宇宙學與天體粒子物理學雜志》上發表了一項最新研究成果。

戶谷友則宣稱，通過深度分析 NASA 費米伽馬射線太空望遠鏡的觀測數據，他在銀河系中心區域發現了一個巨大的伽馬射線“光暈”。

研究指出，該光暈的能譜特征和空間分布，與理論物理學中預測的暗物質粒子“湮滅”跡象高度吻合。如果這一發現隨后能通過獨立觀測的驗證，這將是人類歷史上首次通過非引力手段直接探測到暗物質粒子的物理蹤跡。

圖 | 戶谷友則（來源：東京大學官網）

為了理解這項發現，首先需要了解物理學界對暗物質的主流猜想。目前科學家普遍認為，暗物質由一種被稱為“弱相互作用大質量粒子”（WIMPs）構成。

這種粒子的質量非常大，遠超我們熟悉的質子，但它們性格極度“孤僻”，幾乎不與任何普通物質發生反應，這就是為什么它們能穿過我們的身體和探測器而不被察覺。

但這種隱形并非絕對。當兩個暗物質粒子在宇宙空間中正面相撞時，它們會發生湮滅——即相互毀滅，并釋放出巨大的能量。這個過程會產生高能光子，也就是伽馬射線。

就像兩輛在黑夜中行駛的隱形汽車，雖然我們在雷達上看不到車身，但當它們猛烈相撞時，瞬間迸發出的火花卻是肉眼可見的。科學家要尋找的，正是源自黑暗撞擊的火花。

理論上說，尋找這抹火花的最佳地點是銀河系中心，因為那里的引力最強，聚集的暗物質最多，發生碰撞的概率也最大。

但銀河系中心環境極其復雜，觀測難度極大。這里聚集了大量的恒星、超新星遺跡和活躍的黑洞，這些天體本身就會發出強烈的伽馬射線。要在如此嘈雜的背景輻射中分辨出暗物質微弱的湮滅信號，難度不亞于在滿座的體育場里試圖聽清一個人的悄悄話。

過去的研究往往因為無法將微弱的信號從背景噪音中分離出來，導致結果模糊不清，有時甚至將普通天體的輻射誤認為是暗物質。

戶谷友則教授此次采取了“退一步”的策略。

他沒有像以往的研究那樣死盯著信號最強，但也最混亂的銀河系核心，而是將視野拉大，觀測了以銀河系中心為圓心、向外延伸約 100 度的廣闊區域。

在處理數據時，他構建了一個過濾模型，直接屏蔽掉了銀河系盤面。銀河系盤面是恒星和氣體云最集中的地方，相當于噪音最大的街道。通過遮住這部分區域，并剔除其他已知的干擾源，他成功在數據中分離出了一種殘留的輻射信號。

這個信號不是集中在某一點，而是像一團稀薄的霧氣（光暈），包裹在銀河系周圍向外延伸。

（來源：戶谷友則論文）

這項發現最核心的證據在于這團霧氣的顏色——即伽馬射線的能量特征。分析顯示，這些射線的能量集中在 20 吉電子伏特（GeV）附近。

在微觀物理世界里，特定的粒子反應會釋放出特定能量的光子，這就像是粒子的“指紋”。戶谷教授發現，這個 20 GeV 的能量峰值，與理論計算中質量為質子 500 倍的暗物質粒子發生碰撞時所應產生的能量指紋精確吻合。

（來源：戶谷友則論文）

此外，根據觀測到的亮度反推出的粒子碰撞頻率，也與理論預測完全一致。在能量、分布形態和反應速率三個維度上都實現了高度吻合。

不過，科學界對此結果保持著謹慎。因為過去曾有過“狼來了”的經歷：十多年前，科學家也曾在銀河系中心發現過異常的伽馬射線信號，但后來證實那主要是由大量古老的脈沖星（一種高速旋轉的死亡恒星）產生的。

針對這一懷疑，戶谷教授指出了此次發現的關鍵區別：空間分布。

之前的疑似信號主要集中在銀河系核心，分布形狀比較扁平，與恒星的分布重合。這很好理解，因為脈沖星本質上是恒星的遺骸，恒星在哪，它就在哪。

但此次發現的 20 GeV 信號，呈現出球狀的光暈形態，并延伸到了銀河系盤面之外極其荒涼的區域。那里幾乎沒有恒星，也就很難用脈沖星來解釋。

值得注意的是，這項重磅研究是由戶谷教授獨立署名發表的，這在通常由數百人合作的現代高能物理研究中較為罕見。這意味著數據處理過程主要依賴其個人判斷，尚未經過大型合作團隊內部那種多輪交叉驗證。

圖｜戶谷友則論文（來源：arXiv）

未來的驗證將以兩個方面為切口。首先是觀測銀河系周圍的矮星系。這些小星系富含暗物質，但幾乎沒有恒星活動，是非常干凈的實驗室。如果在那里也能看到同樣的 20GeV 信號，將是決定性的證據。

其次，既然已經鎖定了“質子 500 倍質量”這個參數，地球上的大型強子對撞機（LHC）就可以調整實驗，嘗試在實驗室中人工制造出這種粒子，從而實現天體觀測與地面實驗的相互印證。

1.20 GeV halo-like excess of the Galactic diffuse emission and implications for dark matter annihilation

DOI: 10.1088/1475-7516/2025/11/080

2. https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00433.html

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