图为英仙座星系团的合成图像，数据来源于NASA钱德拉X射线天文台，欧洲空间局XMM-牛顿卫星和“瞳”卫星——日本航天局领导的X射线望远镜。
Credits: X-ray: NASA/CXO/Fabian et al.; Radio: Gendron-Marsolais et al.; NRAO/AUI/NSF Optical: NASA, SDSS
对从英仙座星系团获得的X射线数据进行一种全新的解读，或许可以帮助科学家们解答他们钻研了几十年的问题：暗物质的本质是什么。
这一发现涉及到对一些X射线望远镜所做出的一系列结果的全新解释；这些望远镜包括NASA钱德拉X射线天文台，欧洲空间局XMM-牛顿卫星和日本航天局X射线望远镜“瞳”。如果该理论在未来的观测中得到证实，将是人类在理解暗物质方面迈出的一大步。暗物质神秘而不可见，在宇宙中占物质总量的85%。
来自牛津大学、领导这次新研究的约瑟夫·康伦（Joseph Conlon）说：“我们预计这个结果要么非常重要，要么是一场空欢喜。当你在寻找一个最大的科学问题的答案时，我认为折中点是不存在的。”
这个故事开始于2014年，位于麻省的哈佛史密松天体物理中心的埃斯拉·布尔布尔（Esra Bulbul）领衔的一个研究团队使用钱德拉望远镜与XMM-牛顿望远镜在英仙星系团的炽热气体中观测到一个特定能量的辐射峰。
这个“尖峰”，或者称为发射线，在能谱上位于3.5 keV（千电子伏特）能量处。这条3.5千电子伏特发射线的强度，很难用先前已观测到或者预测的天体特征进行解释，这指示它可能起源于暗物质。 在一项使用XMM-牛顿望远镜观测73个其他星系团的研究中，Bulbul和他的同事也报道了这条3.5千电子伏特发射线的存在。
在Bulbul团队提交他们的研究结果仅一周之后，由荷兰莱顿大学的Alexey Boyarsky领导的另一个团组又给这个暗物质的故事增加了戏剧性的情节，他们报告了XMM-牛顿卫星观测到来自 M31星系和英仙座星系团边缘的3.5 keV发射线的证据， 确认了Bulbul等人的结论。
但是随后，这两个发现出现了争议，因为其他天文学家在观测其他天体的时候，有些观测到了3.5 keV发射线，有些科学家则未观测到。
2016年，为观测X射线光谱中的发射线等详细特征而特别设计的“瞳”X射线望远镜，也未能在英仙座星团中观测到3.5 keV发射线。关于这个发现的争议似乎到此为止了。
来自牛津的合著者Francesca Day说：“也许有人会认为，当“瞳”没有看到那个3.5千电子伏特发射线时，我们就会放弃这条线索。恰恰相反，就像任何有趣的故事一样，一个有趣的转折出现了。”
Conlon和同事们发现，“瞳”卫星的图像清晰度远不如钱德拉，“瞳”观测英仙座星团得到的数据实际上由两个不同来源的X射线信号混合而成：一部分是包裹着星系团中央大星系的炽热气体的弥散辐射，另一部分是来自中央大星系中心超大质量黑洞附近的X射线辐射。钱德拉望远镜成像要清晰得多，可以将两个区域对X射线信号的贡献区分开。Bulbul等人利用这一特点，在分析过程中扣除了点源（包括超大质量黑洞附近物质产生的X射线），从而分离出了炽热气体产生的X射线信号。
为了测试这种差异是否重要，剑桥大学的研究人员重新分析了2009年由钱德拉望远镜收集到的位于英仙座中心的黑洞的X射线数据。他们发现了令人吃惊的现象：在大质量黑洞附近区域3.5 keV的X射线出现了“亏空”，而不是“盈余”。这表明英仙座星系团中的某种东西正在吸收这一能量的X射线。研究人员将这一吸收线加到钱德拉和XMM-牛顿观测到的热气体的发射线上，来模拟“瞳”的光谱，叠加得到的X射线光谱在3.5 keV既没有发射又没有吸收，这和“瞳”的观测结果一致。
现在的挑战在于如何解释这样的现象：观测黑洞时探测到X射线的吸收线；而观察远离黑洞的炽热气体时，则探测到同样能量的X射线发射线。
事实上，这种现象为使用光学望远镜研究恒星和气体云的天文学家所熟知。 被气体云包围的恒星发出的光常常呈现吸收线，这是由于气体云中的原子吸收了特定能量的恒星光。 这种吸收将原子从低能态踢向高能态。原子很快回落到低能态，并伴随着特定能量的光辐射，但是这种光重新发射到各个方向，在观测到的恒星光谱中的一条吸收线处产生净光损失。相比之下，从远离恒星的一个方向观察一片气体云，只会探测到一种特定能量的重新发射的光（或者荧光），这种光以发射线的形式出现。
牛津大学的研究团队在他们的报告中指出，暗物质粒子可能像原子一样，有两个被3.5 kev能量分离的能态。如果是这样的话，当在接近黑洞方向的角度观察时，可能发现一条在3.5 keV能量的吸收线（译者注：被暗物质粒子吸收）；而在远离黑洞的较大角度观察星系团的热气体时，则有可能探测到相同能量的一条发射线（译者注：由暗物质粒子发射）。
同样来自牛津的合著者尼古拉斯·詹宁斯（Nicholas Jennings）说：“这不是一幅简单易绘的图像，但是我们可能已经找到了一种方法来解释这个来自英仙座星团不寻常X射线信信号，并揭示了一条有关暗物质本质的线索。 ”
描述上述解释的示意图
Credit: NASA/CXC/M. Weiss
为了写这个故事的下一章，天文学家需要进一步观测英仙座星系团和其他类似星系团。例如，天文学家需要更多数据，以证实星系团中心的黑洞附近确实存在X射线的吸收，并排除一个更为普通的可能性，就是我们同时遭遇了意料之外的仪器效应，以及X射线在3.5 keV统计学上不太可能出现的减少。钱德拉X射线天文台，XMM-牛顿卫星和未来的X射线任务将继续观察更多星系团，来揭开暗物质的神秘面纱。
描述以上成果的论文于2017年12月19日发表在《物理学评论（D辑）》（Physical Review D）上，可在线获取预印本（https://arxiv.org/abs/1608.01684）。本文的其他合著者有来自牛津大学的Sven Krippendorf和Markus Rummel。NASA马歇尔空间飞行中心负责管理位于华盛顿NASA科学任务局的钱德拉计划。位于剑桥的史密松天体物理台控制钱德拉的科学任务和飞行运行。
来源：www.nasa.gov（详见“阅读原文”）
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