突破！人類可能首次“看見”暗物質

來源：中國科學報

編譯：李木子

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

伽馬射線強度分布圖，其中灰色部分對應未被納入分析范圍的區域。圖片來源：東京大學

暗物質自提出以來一直是個謎團。到目前為止，科學家只能通過暗物質對可見物質的影響來間接觀測它。暗物質能產生足夠引力將星系凝聚在一起。暗物質無法被直接觀測到的原因是構成它的粒子不與電磁力相互作用，這意味著暗物質不會吸收、反射或發射光線。許多科學家推測，暗物質由弱相互作用大質量粒子（WIMP）構成。這類粒子比質子重，幾乎不與其他物質發生作用。盡管相互作用微弱，科學家預測，當兩個WIMP相撞時會湮滅，并釋放伽馬射線光子等。

多年來，科學家通過天文觀測，鎖定了暗物質集中的區域，如銀河系中心，以尋找上述特定的伽馬射線。利用來自費米伽馬射線空間望遠鏡的最新數據，日本東京大學教授Tomonori Totani認為，他終于探測到了理論暗物質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。它們以類似光環的結構向銀河系中心延伸。這種伽馬射線輻射的形態特征與暗物質暈的理論形狀高度吻合。”Totani說。

此外，研究人員觀測到的能譜，即伽馬射線輻射強度的范圍，與假設的WIMP湮滅輻射相匹配。該WIMP的質量約為質子的500倍。研究人員根據測量到的伽馬射線強度估算出的WIMP湮滅頻率，同樣處于理論預測范圍內。更重要的是，這些伽馬射線測量結果很難用其他常見的天文現象或伽馬射線輻射解釋。因此，Totani認為這些數據是暗物質伽馬射線輻射的有力跡象。

“如果這是正確的，據我所知，這將是人類首次‘看見’暗物質。暗物質是一種未被納入現有粒子物理學標準模型的新粒子。這標志著天文學和物理學的一項重大進展。”Totani說。

盡管Totani確信他探測到了暗物質粒子，但該研究結果必須通過其他研究人員的獨立分析驗證。即使得到確認，科學家還需要找到更多證據證明這種類光環輻射確實是暗物質湮滅的結果，而非源自其他天文現象。

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

“一旦積累更多數據，這一目標便有望實現，將為我們提供更有力證據，證明伽馬射線源自暗物質。”Totani說。