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银河系中心或发现暗物质湮灭迹象

2014-04-20  天天邵阳


  根据科学家所说,来自银河系中央的伽马射线可能是暗物质碰撞的结果。

费米望远镜对银河系中心的成像图显示出过剩的伽马射线(红色意味着最强的强度),而这无法用常规的放射源来解释

  费米望远镜对银河系中心的成像图显示出过剩的伽马射线(红色意味着最强的强度),而这无法用常规的放射源来解释

  假如是这样的话,NASA的费米太空望远镜采集到的信号将是史上第一次观测到暗物质的组分粒子——正是这些粒子构成了宇宙间最鬼祟、最难以捉摸的物质,同时也是全宇宙含量最高的物质。

  理论上,看不见的暗物质含量远远超过星系、恒星以及我们之间的常见物质,然而我们却没有办法直接探测到它们。费米望远镜曾经也窥见过一些彷如暗物质的迹象,但这次的新发现经过分析后更像是暗物质所为,因为很难用其他的星系活动来解释。这个信号如果当真来自暗物质,那它将可能意味着一种新的亚原子粒子,甚至可能指向宇宙间一种全新的相互作用力。“我认为,这是我们最近以来得到的数据中最激动人心的了,它直接指向了暗物质,”上周六普渡大学的物理学家Rafael Lang在美国物理学会四月会议上说道(他并没有参与该项研究)。

  然而,这个诡异的信号还是有可能源自于平凡的事件,比如被称为脉冲星的自转恒星。“这个信号,作为可能的暗物质信号,具有相当的吸引力,然而它本身并不足以说服我们,”MIT的Tracy Slatyer说道。他是本研究的其中一个合作作者,研究论文已经提交到《物理评论D》上。

  目前有关暗物质组成粒子的最权威解释是一种“弱相互作用的带质量粒子”(WIMP粒子),然而这种理论上的粒子至今尚未被探测到。WIMP粒子自身构成其反粒子,因而它们的碰撞可以直接导致双方湮灭,正如物质与反物质的碰撞那样。湮灭之后的产物或者是可以进一步释放高能光子的常规物质粒子,或者直接就是我们可以看见的光子。由于银河系中央的暗物质应该最为稠密,因此那里是观测暗物质湮灭最好的地方。

  费米望远镜一直在巡天搜索高能的伽马射线,而最近的分析结果毫无疑问地显示出来自银河系的光比我们所预期的要多得多。以前的分析结果一直都欠缺说服力,这次Slatyer和她的同事只把那些可以追踪来源方位的光子纳入考虑,删除掉来历不明的光子——结果他们发现了一个斯塔克信号。在剩下的那个小小的样本集里,费米望远镜看见了来自银河系中心处半径5000光年的球状区域所均匀发出的光线。它们的能量在1到3吉电子伏(GeV)之间,比可见光的能量要强十亿倍。“太突出了——它是一个对称的信号!并且还是10000个光子,”——超出了预期的光子数目,来自斯坦福大学的Blas Cabrera说。他正参与低温暗物质搜索项目(Cryogenic Dark Matter Search),目前全球范围内已经有不少像这样的地下实验,主要是为了搜寻到与常规物质粒子直接发生作用的罕见暗物质样本。

  如果这个信号果真是由暗物质产生的,根据Slatyer及其同事的计算结果那些看不见的暗物质粒子会达到光子的30到35倍的重量,约30到35GeV。这倒让Cabrera感到非常奇怪:这样高能的粒子早就应该在我们的直接探测搜捕行动中暴露了自己。“我们的仪器已经调试好具备30GeV量级的敏感度,”他说。按道理我们在瑞士的大型强子对撞机(LHC)中就应该发现它了呀。“如果这当真是暗物质粒子,那么它成功地在星系中央现身而在LHC或其他直接探测实验中隐身的事实,却告诉了我们它们的相互作用还藏着相当有趣的事情。”

  比方说,根据基本理论的预测暗物质粒子与常规粒子的相互作用是通过传递一个Z玻色子或者希格斯玻色子来进行的(传递Z玻色子对应于弱力,而希格斯波色子则对应于对称破缺赋予质量的机制)。但如果只是这两种相互作用形式的话,对暗物质的直接探测实验早就应该看见了质量高达30GeV的暗物质粒子。有这么一种可能性:除开Z粒子与希格斯玻色子以外,暗物质与常规粒子的作用或以一种新的粒子为中介,那将意味着一种新的自然界第五基本相互作用机制。“假如在寻找暗物质的过程中发现了一种新的自然基本力,这实在让人激动,”Slatyer说。

  然而费米望远镜得到的信号或许压根不是源自暗物质。过量的射线也可能是来自超快自转的脉冲星,只要它们快到每微秒自转一整周。科学家认为恒星的磁场足以把带点粒子加速到光速,这时达到伽马射线波段的高能光子会被释放出来。然而这种解释也有好些问题。来自哥伦比亚大学的脉冲星专家Slavko Bogdanov说:“相比起已探测到的信号,微秒自转的脉冲星在低能范围(低于大约1GeV)理应有更多的伽马射线释放。”再者,银河系中央的独立脉冲星的数目远不足以产生这样的光。“这必须是一种我们前所未见的脉冲星,”加州大学欧文分校的天文学家Kevork Abazajian说。他自行独立地研究了费米望远镜得到的信号。这是一种更清晰明显的可能性,他说,“把这归因于一类新的脉冲星,显然要比归因于一种全新的物质来得简单自然。”

  一个更具决定性的测试是去观测围绕银河系的矮星系群内部所发出过剩伽马射线。这些地方被认为是暗物质非常稠密的分布地,所以加入暗物质会湮灭的话,那么这里也会发生同样的过程。然而已知的矮星系都很暗淡,难以研究,并且到目前为止尚未观测到过剩的伽马射线。很快会公布在网上的新观测可能会发现新的矮星系,这可以成为我们的目标。“如果同样的过剩射线自银河系卫星(译者注:指绕行矮星系)中发现了,并且与理论预测有同样强度的信号,那将会让我相信这是来自于暗物质湮灭的信号,”加州大学欧文分校的Manoj Kaplinghat说。他与Abazajian合作独立地研究费米望远镜得到的信号。“当然,在我们的地下实验室中对暗物质的直接成功探测也将会作为其决定性的佐证。”


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