银河系中神秘的光芒可能来自暗物质 这意味着..
科学家认为，我们银河系中神秘的光芒可能来自暗物质。这意味着什么?
CNN 雅各布·普里斯科
在乌拉圭的天空中看到的银河系，其中心有一种神秘的光芒，这可能与物理学家称之为暗物质的隐藏物质形式有关。 玛丽安娜·苏亚雷斯/法新社/盖蒂图片社
在我们银河系的中心，有一种神秘的、弥散的光芒，它是由伽马射线发出的——强大的辐射，通常由高能物体（例如快速旋转或爆炸的恒星）发出。
美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜在 2008 年发射后不久就探测到了这种光亮，从那时起，这种光亮就一直困扰着科学家们，引发了人们对其成因的猜测。
一些天文学家认为，这种光芒的来源是脉冲星——爆炸恒星的旋转残余物——而另一些人则认为是暗物质粒子的碰撞，暗物质是一种难以捉摸、看不见的物质，据信其数量是普通物质的五倍。
此前，许多研究都支持这两种观点，但暗物质理论似乎存在一个问题：伽马射线辉光似乎与银河系中心的球状区域形状相符——银河系中心是一个拥挤的球状区域，主要由包括脉冲星在内的古老恒星组成。这一观测结果似乎支持了脉冲星理论，专家们推测，如果辉光的来源是暗物质，其形状应该更接近球形。然而，天文学家尚未观测到足够多的可能产生伽马射线的脉冲星，因此无法得出最终结论。
现在，利用超级计算机进行的新模拟首次表明，暗物质碰撞也可能产生凸起状的辉光，这为暗物质理论增添了依据。
约翰霍普金斯大学物理学和天文学教授约瑟夫·希尔克 (Joseph Silk) 表示：“我们目前面临两种理论，一种理论主张暗物质，并声称它可以解释我们看到的数据，另一种理论则主张古老恒星。” 希尔克是周四在《物理评论快报》上发表的一项详细介绍新发现的 研究报告的合著者。
“在我看来，目前有 50% 的可能性它可能是暗物质，而不是对古老恒星的稍微平凡的解释。”
从美国宇航局费米望远镜的数据中可以清楚地看到这幅图像中沿着地图中心的伽马射线辉光，这标志着我们银河系的中心平面。 NASA/DOE/Fermi LAT 合作
暗物质的证据将带来突破性的发现。瑞士天文学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）于20世纪30年代首次提出暗物质存在的理论，美国天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）和W·肯特·福特（W. Kent Ford）于20世纪70年代证实了这一理论。他们注意到，在螺旋星系边缘运行的恒星运动速度过快，仅靠可见物质和引力无法将它们维系在一起，因此推测存在大量不可见的物质阻止它们分离。尽管经过数十年的努力，科学家们仍未直接观测到这种神秘物质，因此得名暗物质。
维拉·鲁宾 (Vera Rubin) 在 20 世纪 70 年代发现宇宙的大部分由“暗物质”组成。 《华盛顿时报》/Shutterstock
“毫无疑问，暗物质的本质是物理学中悬而未决的重大问题之一，”希尔克说。“它无处不在——在我们附近，在我们远处，我们只是不知道它是什么。”
寻找弱相互作用重粒子
关于暗物质的可能存在许多假设，包括原始黑洞的残余或某种尚未发现的粒子。大部分寻找暗物质的努力都集中在后者上，这促成了诸如南达科他州LZ暗物质实验等探测器的建造。
该仪器旨在探测一种主要的暗物质候选粒子——弱相互作用大质量粒子（WIMP）。这种粒子不吸收光，几乎可以无缝穿过普通物质。科学家认为，当两个弱相互作用大质量粒子相遇时，它们会相互湮灭并产生伽马射线，这使得它们成为可能的光源。
这张合成图像显示的是星系团1E 0657-56，也称为“子弹星系团”。该星系团是在两个大型星系团碰撞后形成的，这是自大爆炸以来宇宙中已知的能量最高的事件。钱德拉X射线探测器探测到的热气体在图像中呈现为两个粉色团块，包含了两个星系团中大部分的“正常”物质，即重子物质。右侧的子弹形团块是其中一个星系团的热气体，它在碰撞过程中穿过了另一个较大星系团的热气体。麦哲伦望远镜和哈勃太空望远镜拍摄的光学图像以橙色和白色显示了这些星系。图像中的蓝色区域显示了天文学家在星系团中发现的大部分质量。质量的集中度是通过所谓的引力透镜效应来确定的，即来自遥远物体的光被中间的物质扭曲。星团中的大部分物质（蓝色）明显与正常物质（粉色）分离，这直接证明星团中几乎所有物质都是暗的。
科学家可能找到了暗物质之谜的答案。它涉及一种意想不到的副产品
西尔克的研究利用超级计算机绘制了银河系中暗物质位置的地图，并考虑到了银河系最初的形成方式。
“问题在于，过去20年来，我们银河系中暗物质的所有模型都假设它基本上像一个球体。它没有具体形状，因为那是最简单的模型，”希尔克说。
“我们的贡献在于首次对暗物质的分布进行了真正的计算机模拟。瞧，我们发现暗物质的中心部分，也就是伽马射线发射的地方，实际上被压扁了——更像是鸡蛋形状。” 希尔克解释说，这种压扁的形状与费米望远镜的数据非常接近。
如图所示，美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜在绕地球运行时每三个小时扫描一次整个天空。 美国宇航局戈达德太空飞行中心/克里斯·史密斯（USRA/GESTAR）
幸运的是，确认暗物质与辉光之间的联系可能指日可待。一种名为切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO）的新仪器正在智利和西班牙两个地点建造，并将于2027年开始传回数据。希尔克表示，CTAO将以比费米望远镜高得多的分辨率探测伽马射线，从而有可能判断银河系中心的伽马射线是否是暗物质碰撞的产物。
他补充道，这一发现将是寻找这种难以捉摸的物质的突破，同时也能证明至少部分暗物质是由弱相互作用重粒子（WIMP）构成的。相反，如果CTAO无法将这种光与暗物质联系起来，那么科学家们的搜索将回到原点，所有可能性都摆在桌面上。
一个根本的秘密
麻省理工学院物理学教授特蕾西·斯莱特尔（Tracy Slatyer，未参与这项研究）表示，这项研究有助于重新探讨暗物质可以解释银河系中心辉光的可能性，尽管它并没有提供新的、确凿的证据来支持暗物质的存在。然而，她并不确信暗物质分布的形状与恒星核球的形状完全吻合。“即使在这项研究之前，我也认为暗物质假说仍然是合理的，”她补充道。
伦敦大学学院物理学和天文学教授 Chamkaur Ghag（未参与 Silk 的研究）表示，这项研究进一步支持了国际社会继续探索 WIMP 的努力。Ghag 通过电子邮件补充道：“它们仍然是解决长期存在的暗物质问题最优雅的解决方案。”他指出，随着更多 WIMP 探测器的研发，观测到这些粒子在太空中湮灭的信号将意味着解决近百年的暗物质之谜。
位于南达科他州桑福德地下研究设施的 LZ 暗物质实验的中央探测器，在被放置在地下之前。 马修·卡普斯特/桑福德地下研究设施/劳伦斯利弗莫尔国家实验室
迈阿密大学物理系副教授尼科·卡佩卢蒂表示，费米望远镜改变了NASA的格局，这篇论文表明，暗物质仍然在解释银河系中心奇异辉光方面具有重要意义。“这个谜团依然存在，它让我这样的科学家夜不能寐，”卡佩卢蒂说道，他没有参与这项研究。
他补充说，弄清暗物质是什么一直是我们这个世纪的科学探索，并指出“弱相互作用重粒子（WIMP），这些假设的粒子，多年来一直是我们的主要怀疑对象。”他表示，地球上的实验至今仍未捕捉到它们，这令人沮丧。
“但费米给了我们继续相信的理由。这篇论文提醒我们，不要急着把弱相互作用大质量粒子从名单上划掉——它们可能仍然照亮着我们银河系的中心，”卡佩卢蒂说。“如果这是真的，我们就比以往任何时候都更接近揭开宇宙的一个根本秘密了。”
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