物理研究 | 兩篇論文同時(shí)挑戰(zhàn)暗物質(zhì)真實(shí)身份，銀河系中的“暗物質(zhì)信號(hào)”是烏龍？

一些科學(xué)家認(rèn)為，靠近銀河系中心的“暗物質(zhì)暈”，正是暗物質(zhì)衰變留下的痕跡。圖片來(lái)源：Christopher Dessert, Nicholas Rodd, Benjamin Safdi, Zosia Rostomian, Fermi Large Area Telescope
3.5 KeV線
2014年，天文學(xué)家在利用XMM牛頓望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)英仙座星系團(tuán)的放射光譜時(shí)，在能量3.5 千伏特（KeV）處看到一條明亮峰線，即所謂“X射線峰”。隨后，在很多的星系和星系團(tuán)（包括我們的近鄰仙女座星系）中都觀測(cè)到這樣的信號(hào)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)非常振奮人心，因?yàn)橐环N暗物質(zhì)候選粒子——惰性中微子——可以衰變?yōu)榭梢?jiàn)物質(zhì)，并釋放出和觀測(cè)結(jié)果一致的輻射。
最近，密歇根大學(xué)的本杰明·薩弗蒂（Benjamin Safdi）與同事分析了XMM牛頓望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的大量數(shù)據(jù)后，決定通過(guò)這種方式在銀河系中尋找X射線峰。如果該輻射來(lái)源的確是暗物質(zhì)衰變，那么在銀河系的暗物質(zhì)暈中，也應(yīng)該能探測(cè)到這樣的信號(hào)。
他們觀測(cè)了銀河系較為空曠的天區(qū)，尋找3.5 KeV 處的X射線峰。在近期的《科學(xué)》雜志上，他們公布了研究成果。經(jīng)過(guò)大約一年的觀測(cè)和曝光，“遺憾的是，我們什么都沒(méi)看到，”薩弗蒂說(shuō)，“根據(jù)我們的結(jié)果，‘3.5KeV X光輻射源于暗物質(zhì)’這一假說(shuō)成立的可能性大幅下降了?！?br> 結(jié)案了嗎？也并不是。很多天文學(xué)家對(duì)這項(xiàng)研究采用的方法提出了質(zhì)疑，他們認(rèn)為X射線峰還是很可能在銀河系中存在，并依舊可以看做是暗物質(zhì)存在的強(qiáng)力證據(jù)。“我對(duì)這篇論文的技術(shù)部分持保留態(tài)度，”邁阿密大學(xué)的尼科·卡佩盧蒂（Nico Cappelluti）說(shuō)，“他們采用的技術(shù)并不標(biāo)準(zhǔn)，所以我認(rèn)為由此得出的結(jié)論有些草率。”另一位物理學(xué)家，荷蘭萊頓大學(xué)的阿列克謝·博亞爾斯基（Alexey Boyarsky）態(tài)度更加直接：“我認(rèn)識(shí)的大部分專家都認(rèn)為這篇論文的主要結(jié)論是錯(cuò)的，我看不出來(lái)他們?nèi)绾螐臄?shù)據(jù)中得到這條不存在的結(jié)論。”
博亞爾斯基和團(tuán)隊(duì)也使用了XMM-Newton的數(shù)據(jù)來(lái)搜尋銀河系的X射線峰，并在2018年12月發(fā)表了一篇預(yù)印本文章，宣稱在銀河系中探測(cè)到了X射線峰，且結(jié)果具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。博亞爾斯基認(rèn)為，造成結(jié)論不同的原因是薩弗蒂團(tuán)隊(duì)分析的能量范圍太窄，因此無(wú)法準(zhǔn)確地從需要探測(cè)的“X射線峰”數(shù)據(jù)中去除宇宙背景輻射。
薩弗蒂則堅(jiān)稱他的方法盡管此前沒(méi)有在X射線天文學(xué)中應(yīng)用過(guò)，但在粒子物理領(lǐng)域，比如在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中所進(jìn)行的尋找暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)證明了該方法的有效性。薩弗蒂說(shuō)：“我們的觀點(diǎn)是，我們使用的數(shù)據(jù)分析方法更加穩(wěn)健，它不會(huì)讓你先入為主地認(rèn)為自己看到了一些實(shí)際上不存在的東西?！睂?duì)于博亞爾斯基團(tuán)隊(duì)的結(jié)果，薩弗蒂說(shuō)：“我的猜測(cè)是，他們得到的結(jié)果只是統(tǒng)計(jì)波動(dòng)或是系統(tǒng)誤差?！?br> 然而，還是有很多科學(xué)家認(rèn)為X射線信號(hào)是我們了解暗物質(zhì)的一種非常可行的方式。“我認(rèn)為，對(duì)于3.5 KeV線，我們需要新技術(shù)的輔助才能得到有意義的結(jié)論?！瘪R克斯·普朗克地外物理研究所的埃斯拉·布爾布利（Esra Bulbul）說(shuō)。2014年，正是她和同事首次探測(cè)到了3.5 KeV線。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）主導(dǎo)的XRISM項(xiàng)目將于2022年發(fā)射，屆時(shí)我們應(yīng)該能知道這條譜線是否存在并符合暗物質(zhì)的特點(diǎn)。“在那之前，我不會(huì)下結(jié)論否定這條譜線起源于暗物質(zhì)的可能性?！辈紶柌祭f(shuō)。
暗物質(zhì)湮滅
銀河系中另一個(gè)有可能指向暗物質(zhì)的信號(hào)，是銀河系中心來(lái)源不明的伽馬射線——一些天文學(xué)家認(rèn)為這些射線源自暗物質(zhì)的湮滅。在這個(gè)假說(shuō)中，暗物質(zhì)可以同時(shí)是物質(zhì)及反物質(zhì)。這樣，當(dāng)兩個(gè)暗物質(zhì)粒子相遇時(shí)，它們就會(huì)互相湮滅，并在此過(guò)程中形成伽馬射線。
2009年，費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)了該信號(hào)，從那時(shí)起，科學(xué)家就對(duì)其起源爭(zhēng)論不休。盡管這些伽馬射線信號(hào)可以用暗物質(zhì)模型來(lái)解釋，但還有一種更加平淡的解釋：它們可能只是由銀河系中心旋轉(zhuǎn)的中子星（也就是脈沖星）發(fā)出的。
韓國(guó)天文和空間研究所的萊恩·E·基利（Ryan E. Keeley）和科維理宇宙物理學(xué)與數(shù)學(xué)研究所的奧斯卡·馬西亞斯（Oscar Macias）在一項(xiàng)新研究中，分析了銀河系中心伽馬射線的空間分布和能量。研究人員發(fā)現(xiàn)，相比于暗物質(zhì)的解釋，這些射線更符合銀河系中心恒星、氣體及星系射線的分布?！斑@樣一來(lái)，問(wèn)題來(lái)了：留給暗物質(zhì)的可能性還有多少？”加州大學(xué)爾灣分校的克沃爾科·阿巴扎吉安（Kevork Abazajian）說(shuō)，他也是本篇論文作者之一。這篇論文已被提交至Physical Review D，并發(fā)表到了預(yù)印本網(wǎng)站。根據(jù)這篇論文的結(jié)論，伽馬射線來(lái)自于暗物質(zhì)的可能性不大?！拔覀儸F(xiàn)在對(duì)暗物質(zhì)湮滅持保留的態(tài)度。”
但同樣，對(duì)于這個(gè)結(jié)論，科學(xué)家還無(wú)法蓋棺定論。麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家特蕾西·斯拉蒂耶（Tracey Slatyer）說(shuō)：“這項(xiàng)分析的思路很棒，但它取決于我們目前對(duì)銀河系背景輻射的模型是否足夠準(zhǔn)確。我擔(dān)心的是，如果模型不夠準(zhǔn)確，這個(gè)結(jié)論也無(wú)法得出?！?br> 最近幾年，一些研究發(fā)現(xiàn)銀河系中心那些過(guò)量的伽馬射線很可能是由單獨(dú)的“點(diǎn)光源”——比如脈沖星——發(fā)出來(lái)的。如果這些射線起源于暗物質(zhì)，那我們應(yīng)該能觀測(cè)到均勻分布的輻射，這與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果不一致。然而斯拉蒂耶和她的同事麗貝卡·利恩（Rebecca Leane）發(fā)現(xiàn)，一種系統(tǒng)誤差會(huì)導(dǎo)致結(jié)果偏向于脈沖星，而實(shí)際上脈沖星的可能性并不比暗物質(zhì)更大。斯拉蒂耶說(shuō)：“這不意味著點(diǎn)光源就一定是錯(cuò)的，或是那些伽馬射線一定源自暗物質(zhì)。但對(duì)于那些認(rèn)為伽馬射線來(lái)自點(diǎn)光源的研究，我們得小心看待?！?br> 存在危機(jī)
最終，關(guān)于暗物質(zhì)的爭(zhēng)論依舊存在。新研究說(shuō)明了這些神秘信號(hào)可能并不是如我們所想的來(lái)自于暗物質(zhì)，這是否意味著暗物質(zhì)可能根本不存在？“不是，”阿巴扎吉安說(shuō)，“暗物質(zhì)粒子的理論與我們觀測(cè)到的現(xiàn)象是如此契合，從亞星系尺度到整個(gè)宇宙的邊緣。毫無(wú)疑問(wèn)，暗物質(zhì)是存在的?！?br> 盡管絕大多數(shù)科學(xué)家對(duì)于暗物質(zhì)存在的堅(jiān)信無(wú)法動(dòng)搖，但他們找到暗物質(zhì)的希望又減少的一分。不僅是現(xiàn)有的天體物理學(xué)的證據(jù)難于捉摸，直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)捕捉暗物質(zhì)粒子的嘗試也未能取得進(jìn)展。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中的研究，目前為止還沒(méi)有成果?！拔覀?cè)趯?shí)驗(yàn)室里看不到，在LHC里看不到，在太空中也看不到（暗物質(zhì)粒子），”阿巴扎吉安感嘆道，“粒子物理學(xué)仿佛出現(xiàn)了一種存在性危機(jī)?！?br> 而科學(xué)家捕捉暗物質(zhì)粒子的失敗，使得暗物質(zhì)的真實(shí)“身份”更加迷霧重重。之前最熱門的候選者，大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMPs），由于在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有出現(xiàn)——或者由于阿巴扎吉安論文中的計(jì)算結(jié)果，可能性下降了?！爸叭藗兯J(rèn)為的很多暗物質(zhì)候選者被排除了，”薩弗蒂說(shuō)?！昂芏嗳艘詾閃IMPs幾乎一定存在。某種程度上講，這的確是一段艱難的時(shí)期。但換個(gè)角度想，這也是非常令人激動(dòng)的。因?yàn)楝F(xiàn)在我們都在集思廣益，回到最基礎(chǔ)的地方，來(lái)探討暗物質(zhì)到底可能是什么?！?br> 撰文：克拉拉·莫斯科維茨（Clara Moskowitz）
翻譯：王語(yǔ)嫣
審校：吳非
文章來(lái)源：科學(xué)美國(guó)人
文章鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/milky-way-dark-matter-signals-in-doubt-after-controversial-new-papers/


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