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银河系中心探测到神秘信号 或为暗物质湮灭(图)

http://www.kexue.com 2014-03-11 10:24:54 新浪科技  发表评论


费米空间望远镜视野中,伽马波段的宇宙。中间红色的部分是银河系的盘面

  天文学家接收到一个来自银河系中心的奇特信号,并且越是仔细审查这个信号,科学家们就越倾向于认为其代表了暗物质湮灭的信号。如果得到证实,那么这将是人类首次监测到来自暗物质发出的信号。

  暗物质是宇宙中一类神秘的无形物质,其占据整个宇宙中物质总量的大约85%。暗物质悬浮在星系之中,但在星系的核心部位相对更加聚集。在这些区域,一个暗物质粒子将有可能遭遇到空间中的另外一个暗物质粒子。如果这两个粒子相撞,它们将发生湮灭反应(暗物质粒子是其自身的反物质),并释放出γ射线。

  为了搜寻暗物质的信号,天文学家们使用美国宇航局的费米伽马射线空间望远镜对整个银河系内的γ射线辐射源进行扫描。随后他们尝试将这些被检测到的辐射源与所有已知的源进行比对。他们在图上标出宇宙中气体尘埃云团的位置,这些天体会发出辐射,并将这些目标产生的辐射从伽马射线图中剔除。接着他们标出所有恒星的位置,并将它们产生的辐射同样予以剔除,以此类推,他们逐次排除掉所有可能的辐射源。一旦所有的这些辐射源被排除,他们所获得的数据中仍然有所剩余,无法用已知的过程予以解释。

  2月26日,有关这项研究的论文发表在arXiv网站上,这是一个主要刊载正处于同行评审过程中的新论文的专业网站。美国费米国家加速器实验室的天体物理学家丹-霍普(Dan Hooper)是这篇研究论文的合著者,他说:“我们越是对这一信号仔细审查,就越觉得这是一个来自暗物质的信号。”

  2009年以来,霍普便一直坚持认为这一明亮的信号是暗物质的线索。根据霍普小组的最新数据,这一γ射线辐射可能是一些具有30~40 GeV能量的高能暗物质粒子相互碰撞时产生的。相比之下,一颗质子的能量一般仅有1GeV左右。

  然而星系核心是一个神秘的区域。那里还存在很多其他的伽马射线辐射源可能表现出与暗物质非常相像的性质,或者那里还存在一些目前还尚未被发现的现象,同样可以解释这样的辐射。目前大部分的研究人员还尚未承认霍普的此项发现。其中一项常常被引用的疑虑是,这些数据中表现出来的多余辐射也有可能来自于毫秒级脉冲星。这是一种已经死亡的恒星遗骸,具有极高的转速,并释放出巨大的能量。天文学界目前对于这种神秘天体具体运作机制的理解还很浅薄。

  研究论文的另一名合著者,美国哈佛大学的天文学家道格-芬克贝纳(Doug Finkbeiner)表示:“如果你想要解释位于星系中心的某些奇特现象,你就直接可以挥挥手,说‘那一定是毫秒脉冲星’。”

  芬克贝纳很久之前便一直认为费米空间望远镜数据中的多余信号强度代表了暗物质湮灭现象。他知道星系的中心区域非常奇特,充满着很多预料不到的现象。比如在2010年,天文学家们便发现从银河系的核心向上下两侧伸展出两个巨大的气泡结构,延伸超过5万光年。而此前天文学界对此却一无所知。在对霍普的数据进行仔细分析之后,芬克贝纳相信那里的确有些什么东西。

  当星系形成时,引力作用使大量物质聚集并开始旋转。当物质旋转时,大型的星系开始冷却并形成扁平化的结构,就像一块大披萨,从而形成在望远镜中所看到的涡旋状结构。实际上暗物质构成了星系质量的大部分,但它却无法被像其他物质那样扁平化,因为它与电磁力根本不会发生相互作用,与后者的相互作用将会使其发出热辐射。于是暗物质仍然逗留在一个围绕银河系存在的巨大物质晕结构之中。因此,任何暗物质的信号都不应仅仅来自于银河系的星系平面,而是也应当存在来自银河系平面之上或之下的信号,那些部位的恒星数量相对稀少且相互之间距离较为遥远,但那里存在着大量的暗物质。

  问题在于,银河系的中心区域极为明亮。那里数以十亿计的恒星发出难以想象的巨大光芒,其亮光远远延伸至银河系平面的上下两个方向的遥远区域。因此要想证明这一神秘信号的确来自暗物质而非其他来源,首先需要非常精确的确定其分布地图。但不幸的是,费米空间望远镜的观测能力在这一疑似暗物质辐射信号显现的波段分辨率并不够高。通过与美国麻省理工学院物理学家翠西-斯莱特尔(Tracy Slatyer)之间的合作,芬克贝纳对费米望远镜的数据进行仔细梳理,并找到了排除那些干扰信号的方法。采用这种方法处理之后的数据非常清晰的显示出这一神秘信号的来源分布在那些只有很少恒星存在的区域。芬克贝纳表示:“答案有所改善。看起来它更像来自暗物质,而非脉冲星。”

  经过处理之后的清晰数据终于开始引起一些研究人员的注意。纽约大学理论物理学家尼尔-维纳(Neal Weiner)表示:“未来的哪天我们或许会将今天的这个时刻视作是暗物质被首次发现的日子。”他表示,具有高达30~40 GeV能级的性质将让这些暗物质粒子显得非常有趣,因为那将是可以在大型强子对撞机(LHC)中呈现的粒子性质。但事实是我们并未在大型强子对撞机实验中观测到类似的粒子,这可能说明构成暗物质的粒子结构要比我们简单的粒子模型预测要更复杂。

  但除此之外还有很多疑问。美国加州大学圣克鲁兹分校的物理学家史蒂芬诺-普罗夫莫(Stefano Profumo)表示:“假如问题是:我们真的发现暗物质了吗?那么我真的会非常谨慎地来回答这个问题。”因为实在是还有很多从我们地球上观点来看非常不确定的因素在其中,如在银河系的核心区域,那里的宇宙射线密度和能级都是不同的。

  而即便其本人也是这篇研究论文的合著者之一,但芬克贝纳也对这一课题持有谨慎态度。他只是认为,从目前来看,对费米空间望远镜的数据中出现的异常,暗物质的湮灭应当是最好的解释。但宇宙如此广袤,或许仍然存在一些我们尚未能发现的未知天体和现象。

  要想确切的回答这一问题,科学家们可能将需要对矮星系进行研究,这些星系质量的99%由暗物质贡献,并且其中由其他现象造成的,可能与暗物质信号相混淆的干扰非常少,因而可以成为很好的研究对象。但即便如此,费米空间望远镜仍然将需要花费长达数年的时间仔细观察这些天体,才能获得足够多的数据来支持或否定这项结论。(晨风)

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