日本科學家可能探測到了暗物質？這是真的嗎？

戶谷友則（Tomonori Totani，1971年11月21日—），東京大學天文系教授。圖源：https://sites.google.com/view/tomonori-totani

導讀：

日本天文學家家戶谷友則最近聲稱可能探測到了暗物質。這是怎么回事？如何證明這是真的或假的呢？

瞿立建｜撰文

11月26日，日本東京大學發布了一篇新聞稿，標題是：100年來，科學家可能首次探測到暗物質。哇，很重磅。雖然很克制地用了“可能”一詞，我們還是不妨了解一下，看看到底是怎么回事。

東京大學新聞稿通報的這項研究，已經發表于同行評議期刊Journal of Cosmology and Astroparticle Physics上，作者只有一位，東京大學天文學家戶谷友則（Tomonori Totani）。

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暗物質

物理學中未解決的最重大問題之一

“暗物質”這個自帶神秘色彩的術語，是加州理工學院教授弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky，1898年2月14日—1974年2月8日）在1933年提出來的。

里茨·茲威基（Fritz Zwicky，1898年2月14日—1974年2月8日），瑞士裔美國天文學家，加州理工學院教授，在理論和觀測天文學上，包括超新星、星系團等方面做出了重要的貢獻。

茲威基分析后發座星系團的天文數據，發現星系環繞星系團中心轉動的速度大的驚人，星系團中的發光物質總量遠遠不足以提供相應的向心力。茲威基提出，星系團中還存在一種不發光的物質，并將其命名為“暗物質”（德語為dunkle Materie，Helvetica Physica Acta, 1933, 6, 110–127）。

根據天文觀測數據生成的發座星系團圖像。后發座是唯一一個以歷史人物命名的星座，“后發”的意思是埃及法老托勒密三世的王后的頭發。星系團是星系在引力的作用下結成的集合體。

茲威基提出的暗物質概念并沒有立即產生太大影響。直到1970年代，天文學家對衛星星系（即在大質量星系附近的小質量星系）進行觀測后發現，只有假設存在額外的看不見的物質才能夠解釋它們的運動。自此，天文學家才開始對暗物質進行嚴肅的探討。

暗物質的地位真正得到鞏固，是因為美國女天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin，1928年7月23日—2016年12月25日）的工作。1970年年代，魯賓發現，從距離星系中心稍微遠一點的地方開始，不管恒星距離星系中心有多遠，它們圍繞星系中心公轉的速度幾乎是一樣的！在星系幾乎空無一物的邊遠地區的孤立的恒星和氣體云的公轉速度應隨距離增大而減小，然而并沒有。最自然的解釋是，存在暗物質，是暗物質的引力讓星系外圍的遙遠恒星維持著遠超預期的公轉速度，如果沒有暗物質，那里的恒星將飛出星系。魯賓給出了當時有關暗物質的最強證據。（魯賓的這一發現，也有其他解釋，比如修改萬有引力定律。）

薇拉·魯賓（英語：Vera Rubin，1928年7月23日—2016年12月25日），美國天文學家，給出了暗物質強有力的證據，被譽為“暗物質之母”。

星系轉速。左：無暗物質，右：有暗物質。圖 源：維基百科

從那時起，關于暗物質存在的證據變得越來越強（如引力透鏡效應、子彈星系團等，有些證據不是修改萬有引力定律所能解釋的，不再贅述），它在宇宙中所占比例被測量得越來越精確，是我們熟悉的普通物質的5倍之多。說我們的物質“普通”并不合適，因為它們在宇宙中其實相當罕見。

宇宙組成餅狀圖

天文學家們指出，我們其實就生活在暗物質中，整個銀河系也浸泡在一個巨大、透明的暗物質“泡泡”——稱為暗物質暈——里面。我們沒有感覺到暗物質的存在，就像魚兒感覺不到水的存在一樣。這是因為暗物質遵守與普通物質一樣的引力規律，但它并沒有能讓我們探測到它的其他作用。暗物質不發光，不吸收光，也不反射和散射光，用任何波段的探測器或望遠鏡都無法觀察到。暗物質也不參與強和弱相互作用。

物理學家為直接探測暗物質已經和正在進行了諸多努力，目前還未發現暗物質的確鑿信號。

戶谷友則教授說，我們可能已經探測到了暗物質。

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戶谷友則教授如何探測暗物質？

物理學家普遍認為，暗物質由一種新的基本粒子組成。物理學家們也提出了多種候選粒子，其中最被看好的粒子是弱相互作用大質量粒子（weakly interacting massive particle, WIMP），因為基于這種粒子的宇宙模型與天文觀測最為符合。WIMP的名字體現著其性質，它與普通物質間有很弱的相互作用，其質量比普通物質的基本粒子要大。

對于普通物質，粒子與反粒子相遇會發生湮滅并產生光子或其他粒子，WIMP與它的反粒子相遇也會發生類似的事情。

探測WIMP湮滅之后的產物是探測WIMP最有希望的方法之一。

在很多理論模型中，WIMP的反粒子就是它自身，兩個WIMP湮滅后，產物粒子經過一系列變化后，最終會產生伽馬射線。多年來，研究人員通過天文觀測，將目標鎖定在暗物質集中的區域，例如銀河系中心、矮星系、星系團，以尋找具有某些特征的伽馬射線，例如信號強度分布與暗物質分布對應，信號譜線有某個特定的峰，等等。

2008年，美國將費米大面積望遠鏡（Fermi Large Area Telescope），它的使命之一就是探測暗物質。從這臺望遠鏡的數據中，戶谷友則教授看到了疑似WIMP湮滅產生的伽馬射線信號。

費米伽瑪射線空間望遠鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）藝術圖。此望遠鏡是用來進行大面積巡天以研究天文物理或宇宙論現象，如活動星系核、脈沖星、其他高能輻射來源和暗物質。

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戶谷友則教授分析出了什么？

戶谷友則教授分析了費米大面積望遠鏡2008年至2023年這15年的公開數據。他感興趣的是銀河系外圍，而非銀河系中心。銀河系中心暗物質密度雖然大，但那里成分復雜，是噪聲“地獄”，而銀河系外圍背景最少、噪聲最低，暗物質有一個平滑的球形分布。

戶谷友則教授處理了銀河系外圍處輻射的伽馬射線信號，去除所有可能的已知來源，發現依然有一層淡淡的伽馬射線光殼包圍著銀河系，這層光殼的能量峰值是20GeV。

因此，戶谷友則教授說，這就是暗物質存在的證據！

伽馬射線光殼呈現極為圓滑、均勻的球形分布。它的亮度隨著到銀河中心的距離的增大而逐漸下降，下降的方式與暗物質分布模型非常接近。20 GeV的能量峰值，正好落在許多暗物質湮滅理論預言的范圍內。

暗物質，也許正在用一圈微弱卻真實的伽馬射線，向我們透露自己的存在。

戶谷友則教授在新聞通稿中說：“如果這項研究是正確，據我所知，這將是人類首次‘觀測’到暗物質，并表明，暗物質是一種尚未被納入當前粒子物理標準模型的新粒子。這標志著天文學和物理學的一項重大進展。”

不過，論文并沒有宣布說探測到了暗物質，而是說，這是一種與暗物質預期相符的信號，但也可能來自未知的天體物理過程。只是目前來看，暗物質是最佳解釋。

那么，要如何確認所得伽馬射線信號真的來自暗物質？

首先，別的團隊要能重復出本論文的工作。

其次，要排除過度擬合的嫌疑。戶谷友則教授扣除已知來源的伽馬射線背景，得到了特別的伽馬射線信號。這里面就很有操作空間，不同的背景模型會得到大相徑庭的結果，特意湊出一個球形分布，也不算難事。這就需要用各種合理的背景模型重做本文的分析，看看信號是否一直存在。

再次，建造更先進的望遠鏡，做更精確的觀測，比如切倫科夫望遠鏡陣列（Cherenkov Telescope Array Observatory），這是新一代地面伽馬射線儀器。

或者，用其他方面的研究進行交叉驗證。

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如果戶谷友則教授錯了呢？

即便本研究被證偽也沒什么大不了，畢竟暗物質探測研究出過多次烏龍了。

本研究的結論即便錯了，它也是有價值的。

如果本研究是錯的，會有助于提出更準確的背景模型，會成為“警示案例”：告訴我們暗物質搜索中哪些細節不能忽略。

一個好的科學研究不是給出絕對正確的答案，而是：

● 提出一個清晰的問題

● 給出可以檢驗的預測

● 設計一套可復現的方法

● 鼓勵他人進行檢驗

這篇論文發現，銀河系外圍有一個球形、20 GeV 的伽馬射線結構，與暗物質暈的幾何形狀一致。這是明確定義的、可直接檢驗的結論。未來，其他團隊可以立即著手證實或證偽。如果最終被證偽，它也拓寬了科學視野，明晰了問題邊界。

科學評價重要的不是“對或錯”，更在于“是否推動進步”。科學史上大大小小的進展，就是通過對對錯錯的研究一步一步推進的。

參考文獻：

[1] 東京大學的新聞通稿：

https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00433.html

[2] 戶谷友則教授論文：

Tomonori Totani JCAP11(2025)080DOI10.1088/1475-7516/2025/11/080

本文轉載自《賽先生》微信公眾號

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