這可能是我們首次“看到”暗物質(zhì)

周一 · 知古通今 | 周二 · 牧夫?qū)?/strong>

周三 · 太空探索 | 周四 · 觀測(cè)指南

周五 · 深空探索 | 周六 · 茶余星話 | 周日 · 視頻天象

原文鏈接：https://www.universetoday.com/articles/after-a-century-of-searching-we-may-have-finally-seen-dark-matter

編譯：齊岳

校對(duì)：牧夫天文校對(duì)組

后期：王啟儒

責(zé)任編輯：王啟儒

文末天文濕刻有重大國際航天新聞，不要?jiǎng)澴吲叮?/p>

基于千度巡天（Kilo-Degree Survey）引力透鏡分析得出的一小片天空的暗物質(zhì)分布圖。

Credit：Kilo-Degree Survey Collaboration/H. Hildebrandt & B. Giblin/ESO

在北約克郡的鹽礦中，有著一處深埋于地下的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家們?cè)诖说却环N極為罕見的碰撞事件：暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)粒子的相互作用。然而在地面之上，東京大學(xué)的戶谷友則教授卻選擇著眼于外太空，這或許使他發(fā)現(xiàn)了地底的探測(cè)器未能發(fā)現(xiàn)的事情——由光線揭示出的暗物質(zhì)蹤跡。

暗物質(zhì)不與電磁力相互作用，這一直是有關(guān)其研究的基本挑戰(zhàn)。暗物質(zhì)不吸收光，不反射光，也不發(fā)射光；我們看不見暗物質(zhì)并非因?yàn)樗[藏了自己，而是光子會(huì)直直穿過它。我們得知暗物質(zhì)存在的唯一證據(jù)是它造成的引力效應(yīng)，例如星系如果按我們觀測(cè)到的速度旋轉(zhuǎn)，由于能看到的物質(zhì)無法提供足夠的引力，它會(huì)把自己轉(zhuǎn)散架，所以一定有額外的（看不見的）質(zhì)量來產(chǎn)生額外的引力。

很多研究者認(rèn)為構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子是所謂的大質(zhì)量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs），也許比質(zhì)子還要重500倍。理論預(yù)測(cè)指出，當(dāng)兩個(gè)WIMPs撞在一起，它們會(huì)彼此湮滅（也就是轉(zhuǎn)化為純能量）并釋放特定能量的伽馬射線。

藝術(shù)家想象的費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡。

Credit：NASA

戶谷和他的團(tuán)隊(duì)在費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了這種湮滅信號(hào)：一個(gè)由200億電子伏特能量的伽馬射線組成的暈狀結(jié)構(gòu)，正在向銀心擴(kuò)散。其形狀與理論預(yù)測(cè)的暗物質(zhì)分布相吻合，能量譜與WIMP湮滅模型相吻合，且碰撞頻率的下降處于預(yù)期范圍內(nèi)。最重要的是，常見的天文現(xiàn)象無法輕易解釋這些伽馬射線。其他已知輻射源在這樣的分布模式中不會(huì)產(chǎn)生這種能量特征。

除了與暗物質(zhì)發(fā)生作用，伽馬射線還能在其他情形下產(chǎn)生。在這張藝術(shù)家概念圖中，一顆大質(zhì)量恒星發(fā)生爆炸，射出一束高能粒子。當(dāng)粒子束正對(duì)著地球，我們就能觀測(cè)到伽馬射線暴的現(xiàn)象。

Credit：NASA/Swift/Cruz deWilde

“如果這一發(fā)現(xiàn)屬實(shí)，據(jù)我所知，這將是人類首次‘看見’暗物質(zhì)，也能說明暗物質(zhì)是由一種未被涵蓋在當(dāng)今粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子構(gòu)成的。”戶谷評(píng)價(jià)道。

如果這的確是暗物質(zhì)的證據(jù)，那么標(biāo)準(zhǔn)模型——它描述了宇宙中所有基本粒子及其除引力外的相互作用——就該換個(gè)版本了。我們需要加入一種全新的粒子，它很可能是全宇宙最豐富的物質(zhì)。

然而在那一天到來之前，獨(dú)立研究者們必須驗(yàn)證戶谷的分析以堅(jiān)實(shí)地加強(qiáng)他的觀點(diǎn)。例如，銀河系銀暈內(nèi)的矮星系中如果能發(fā)現(xiàn)相同的伽馬射線特征，就可以支持對(duì)暗物質(zhì)的這種理解。這些較小的系統(tǒng)同樣包含聚集的暗物質(zhì)，但處于的天體物理背景不盡相同，使得它們成為理想的核驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

與此同時(shí)，在鹽礦和世界各地的實(shí)驗(yàn)室中，無數(shù)探測(cè)器仍將繼續(xù)守候，等待暗物質(zhì)通過與普通物質(zhì)的微小相互作用暴露它的存在。不過也許答案一直就在天空中，藏在伽馬射線里，只待足夠靈敏的儀器來讀取這些深空的訊息。

——The End——

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號(hào)：astronomycn

拜科努爾發(fā)射場勞模機(jī)位的維修保障平臺(tái)在11月27日的載人發(fā)射任務(wù)中損毀，導(dǎo)致俄羅斯唯一一個(gè)用于載人航天的發(fā)射機(jī)位無法使用。專家預(yù)估維修或?qū)⒑臅r(shí)2年。