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银河系中发现了暗物质?

2014-04-05

银河系中发现了暗物质?

原文标题:Dark Matter Spotted in the Milky Way?

作者:Shannon Hall

原文来自:SkyandTelescope.com

Posted: 2014. 3. 25

编译:Melipal

一个天文小组宣称,他们发现了迄今最令人信服的暗物质湮灭证据。

暗物质也许是宇宙最令人困惑的谜题之一。天文学家收集了压倒性的证据,说明它占据了宇宙物质总量的84%左右。它额外的引力为单个星系自转、遥远星系团的运动以及远方星光的弯曲提供了最直接的解释。

那么这种难以捉摸的物质是什么?流行的理论认为,它由一种迄今尚未被发现的大质量奇异粒子构成,它们几乎不与普通物质发生相互作用。这些物质到现在为止都没有被探测到。不过理论上说,它们是自身的反粒子,可以湮灭形成级联的普通粒子流,其中成分包括正负电子。碰撞过程会产生伽玛光子,也就是自然界中能量最高的光子。

上图展示了1 GeV以上的全天图,它是基于NASA费米伽玛射线空间望远镜5年的数据绘制的。较明亮的颜色表明较亮的伽玛射线辐射源(图片版权:NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration)

NASA的费米伽玛射线空间望远镜自2008年发射以来,就在搜索天空,以寻找这种湮灭的证据。虽然这架望远镜看到了大量从银河系中心涌出的伽玛光子,天文学家并不能确定这些光子是来自暗物质湮灭的,还是起源于其他天然的粒子加速器。

后一种情况最可能的罪魁是未被探测到的脉冲星。这些旋转的中子星会从两极发出海量的能量束,这其中包括可以在爆发的伽玛射线闪光中湮灭的正反物质对。

由哈佛大学的坦苏·达伊兰(Tansu Daylan)领导的天文小组进一步仔细研究了费米额外的信号,并排除了脉冲星这一可能起源。这样他们就得出了信号必然源于暗物质湮灭的结论——这一结论可以解决物理学最大的一道谜题。

论文的合作者、费米国家加速器实验室的丹·胡珀(Dan Hooper)说:“如果我们的解释是正确的,这一信号可以视为一种全新粒子的发现过程,这种粒子贡献了宇宙大多数的质量。我找不到足够强烈的词语来形容这一发现的重要性了。”

问题在于,银河系中心极其明亮致密。数十亿颗恒星本身就可以发出不可估量的辐射了,因此银心是非常难以精确测绘并发现隐匿的伽玛源(如脉冲星)的。小组精确地梳理了数据,并扣除了已知的伽玛源,最终给出了清晰的图像,从银心向外在各个方向上几乎延伸了5000光年。

在距离银心如此遥远的地方,恒星数量要少得多。如果脉冲星确实是伽玛射线信号的罪魁,那么我们应该可以看到几颗作为分立伽玛源的脉冲星。但是我们没有。这一事实是很有说服力的证据,说明脉冲星并不存在于距离银心如此遥远的区域,因此伽玛射线流量的超出必然只是起源于暗物质湮灭的。

但是其他人仍持怀疑态度。加州大学欧文(Irvine)分校的专家科沃克· 阿巴扎吉安(Kevork Abazajian)说:“就好像是我们评论最近的B模信号一样,‘非凡的论点需要非凡的证据来证实’。”他提到了上周宣布的在宇宙微波背景辐射中发现了暴涨的证据。

阿巴扎吉安辩称,位于银河系中心的脉冲星族群可能与我们周围旋臂中的脉冲星不同。它们可能更为暗淡,因此我们不必像预期那样逐一将它们分辨开来。这一观点看起来可能很牵强,但是“科学界的基本原则是,如果你提出了一些非常新颖的东西,你必须要确保你考虑过了其他所有的可能性”,阿巴扎吉安说。

为了证实伽玛射线流量的超出,天文学家将望远镜对准了不那么明亮的辐射源(尤其是矮星系)。这样的暗弱辐射源预计拥有大量的暗物质,但并不会有太多其他的天然粒子加速器(如脉冲星)。然而当前的数据量太少,还不足以确定矮星系是否具备类似的超出现象。

许多科学家称,暗物质粒子最令人信服的证据会来自地底深处的矿井,或是大型粒子对撞机,物理学家正在这些地方努力工作,以直接探测单个粒子的影响。虽然现在人们还没有作出直接探测,不过大型强子对撞机可以探测到质量在31到40 GeV之间的粒子。

这可能还要花费几年,不过天文学家有可能正处在破解宇宙最引人注目的谜题的边缘。

参考文献:坦苏·达伊兰等人,《银河系中心伽玛射线信号的特性:令人信服的暗物质湮灭证据》,费米实验室出版物,2014年

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