突破！人類可能首次“看見”暗物質(zhì)

來源：中國科學(xué)報

編譯：李木子

20世紀(jì)30年代初，瑞士天文學(xué)家Fritz Zwicky觀察到太空中的星系移動速度超過其質(zhì)量允許的水平，由此推斷太空中存在某種看不見的“腳手架”——暗物質(zhì)，將星系凝聚在一起。近百年后，美國國家航空航天局（NASA）費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡可能提供了有關(guān)暗物質(zhì)的直接證據(jù)，讓這種不可見的物質(zhì)首次被“看見”。相關(guān)研究11月25日發(fā)表于《宇宙學(xué)與天體粒子物理雜志》。

伽馬射線強(qiáng)度分布圖，其中灰色部分對應(yīng)未被納入分析范圍的區(qū)域。圖片來源：東京大學(xué)

暗物質(zhì)自提出以來一直是個謎團(tuán)。到目前為止，科學(xué)家只能通過暗物質(zhì)對可見物質(zhì)的影響來間接觀測它。暗物質(zhì)能產(chǎn)生足夠引力將星系凝聚在一起。暗物質(zhì)無法被直接觀測到的原因是構(gòu)成它的粒子不與電磁力相互作用，這意味著暗物質(zhì)不會吸收、反射或發(fā)射光線。許多科學(xué)家推測，暗物質(zhì)由弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）構(gòu)成。這類粒子比質(zhì)子重，幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生作用。盡管相互作用微弱，科學(xué)家預(yù)測，當(dāng)兩個WIMP相撞時會湮滅，并釋放伽馬射線光子等。

多年來，科學(xué)家通過天文觀測，鎖定了暗物質(zhì)集中的區(qū)域，如銀河系中心，以尋找上述特定的伽馬射線。利用來自費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡的最新數(shù)據(jù)，日本東京大學(xué)教授Tomonori Totani認(rèn)為，他終于探測到了理論暗物質(zhì)粒子湮滅時釋放的特定伽馬射線。

“我們探測到光子能量為20千兆電子伏特的伽馬射線。它們以類似光環(huán)的結(jié)構(gòu)向銀河系中心延伸。這種伽馬射線輻射的形態(tài)特征與暗物質(zhì)暈的理論形狀高度吻合。”Totani說。

此外，研究人員觀測到的能譜，即伽馬射線輻射強(qiáng)度的范圍，與假設(shè)的WIMP湮滅輻射相匹配。該WIMP的質(zhì)量約為質(zhì)子的500倍。研究人員根據(jù)測量到的伽馬射線強(qiáng)度估算出的WIMP湮滅頻率，同樣處于理論預(yù)測范圍內(nèi)。更重要的是，這些伽馬射線測量結(jié)果很難用其他常見的天文現(xiàn)象或伽馬射線輻射解釋。因此，Totani認(rèn)為這些數(shù)據(jù)是暗物質(zhì)伽馬射線輻射的有力跡象。

“如果這是正確的，據(jù)我所知，這將是人類首次‘看見’暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是一種未被納入現(xiàn)有粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子。這標(biāo)志著天文學(xué)和物理學(xué)的一項重大進(jìn)展。”Totani說。

盡管Totani確信他探測到了暗物質(zhì)粒子，但該研究結(jié)果必須通過其他研究人員的獨(dú)立分析驗證。即使得到確認(rèn)，科學(xué)家還需要找到更多證據(jù)證明這種類光環(huán)輻射確實是暗物質(zhì)湮滅的結(jié)果，而非源自其他天文現(xiàn)象。

在其他暗物質(zhì)高濃度區(qū)域發(fā)現(xiàn)WIMP碰撞的更多證據(jù)，將有力佐證初步研究成果。例如，若能探測到銀河系暈內(nèi)矮星系發(fā)出相同能量的伽馬射線輻射，將為Totani的分析提供支持。

“一旦積累更多數(shù)據(jù)，這一目標(biāo)便有望實現(xiàn)，將為我們提供更有力證據(jù)，證明伽馬射線源自暗物質(zhì)。”Totani說。