銀河系的微光 = 暗物質的痕跡？

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫專欄

周三 · 視頻天象|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 太空探索

編譯：王茸

校對：蔡賀菁 王婧彧

審閱：李宜驊

美編：毫秒

原文鏈接： https://www.space.com/astronomy/dark-universe/a-faint-glow-in-the-milky-way-could-be-a-dark-matter-footprint

“我們或許會看到新數據，從而證實某一理論而非另一種，也可能一無所獲，那么這個謎團將變得更加難以破解。”

這幅全景圖展現了銀河系的核心區域，寬度達300光年。暗物質是否就藏身于此？

圖片來源：NASA

暗物質被認為是維系著星系的無形粘合劑。這個存在百年的歷史謎團，如今終于迎來了一縷來自現代的線索。

科學家表示，他們可能距離證實這種難以捉摸的物質的存在更近一步，因為新的模擬研究表明，銀河系中心的一抹微弱光芒可能就是暗物質長期以來被追尋的特征。

德國波茨坦萊布尼茨天體物理研究所(Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam)的穆里茨·穆魯(Moorits Muru)領導了這項新研究，他認為：“這確實很難證明，但似乎很有可能。”

暗物質約占宇宙物質總量的27%，至今仍是宇宙學領域最重大的謎題之一。它既不吸收也不反射光線，因此完全無法被望遠鏡觀測到。盡管科學家們進行了數十年的實驗，從地下粒子探測器到軌道空間觀測站，卻從未直接探測到它的存在。然而，穆魯團隊最新開展的計算機模擬研究，或許讓我們距離破解這個謎團更近了一步。

研究發現，銀河系中心附近的暗物質可能并非如科學家長期認為的那樣呈現出完美的球體。相反，它更接近一個扁平的近似橢圓形狀，這種形態與NASA費米伽馬射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)觀測到的神秘伽馬射線分布模式高度吻合。

這項研究始于2008年。當時費米望遠鏡首次在銀河系核心附近觀測到一道寬廣而朦朧的高能光暈，其跨度約達7000光年，該信號的亮度遠超現有模型所能解釋的范圍。

一些科學家提出，這些射線可能是名為WIMP（弱相互作用大質量粒子）的暗物質粒子相互碰撞湮滅產生的副產物。另一些人則認為它們源自快速旋轉的恒星殘骸，也就是毫秒脈沖星，即古老而高速旋轉的中子星，會像宇宙燈塔般發射出輻射束。

脈沖星理論之所以合理，是因為伽馬射線光線呈現扁平凸起的形態，與銀河系星云密布的中心區域極為相似。若這些光線源于暗物質，科學家原本預期會呈現更平滑、更圓潤的分布模式。

穆魯及其團隊決定將兩種假說付諸實踐。借助強大的超級計算機，他們重現了銀河系的形成過程，包括數十億年來與較小星系發生的劇烈碰撞和合并。研究人員發現，這些劇烈事件在暗物質在銀河系核心的分布方式上留下了深刻的“指紋”。

當將這段復雜的歷史納入考量時，模擬出的暗物質暈不再呈現球形。根據最新的研究，它反而呈現出扁平的蛋形結構，這與費米望遠鏡觀測到的伽馬射線輻射模式相吻合。

穆魯表示：“我們發現暗物質也呈現這種扁平形態，因此它與伽馬射線過剩現象的吻合程度遠超預期。”

這項發現表明，暗物質仍可能是銀河系神秘光芒背后的推手。但研究人員也指出這并未完全排除脈沖星的可能性。團隊最終得出的結論是這兩種可能性如今“基本無法區分”。

如果這種過剩現象確實源于暗物質碰撞，這將標志著首次間接證據表明弱相互作用大質量粒子（WIMPs，一種主要的暗物質候選粒子）確實存在。

最終答案可能在本世紀20年代末揭曉，屆時切倫科夫望遠鏡陣列觀測站（CTAO，Cherenkov Telescope Array Observatory）將從智利和西班牙的雙站點開始巡天。研究人員表示，該設施將能以遠高于費米望遠鏡的分辨率觀測伽馬射線，這可能幫助他們區分高能脈沖星群與低能湮滅暗物質粒子。

穆魯補充道，對環繞銀河系的小型矮星系進行伽馬射線觀測將能進一步檢驗這兩種可能性，因為這些矮星系的核心同樣存在密集的暗物質團塊。

“這就是我們希望測量信號的位置，”穆魯說道，“我們非常期待這些觀測結果。”

科學家們確信暗物質確實存在。探測暗物質的征程，堪稱現代物理學中最令人沮喪又最令人振奮的挑戰之一。

“暗物質依然難以捉摸，”穆魯說道，“而我認為，正是這份神秘感讓它更顯迷人。”

該研究成果詳述于10月16日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊上的一篇論文中。

責任編輯：楊伯順

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

罕見的愛因斯坦十字呈現五點光源而非四點，源于遙遠星系HerS-3的光線被前景星系與暗物質放大所致。

圖片來源：P. Cox 等 – ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

謝謝閱讀