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

一些科學家認為，靠近銀河系中心的“暗物質暈”，正是暗物質衰變留下的痕跡。圖片來源：Christopher Dessert, Nicholas Rodd, Benjamin Safdi, Zosia Rostomian, Fermi Large Area Telescope
3.5 KeV線
2014年，天文學家在利用XMM牛頓望遠鏡觀測英仙座星系團的放射光譜時，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（包括我們的近鄰仙女座星系）中都觀測到這樣的信號。這個發(fā)現在當時非常振奮人心，因為一種暗物質候選粒子——惰性中微子——可以衰變?yōu)榭梢娢镔|，并釋放出和觀測結果一致的輻射。
最近，密歇根大學的本杰明·薩弗蒂（Benjamin Safdi）與同事分析了XMM牛頓望遠鏡觀測到的大量數據后，決定通過這種方式在銀河系中尋找X射線峰。如果該輻射來源的確是暗物質衰變，那么在銀河系的暗物質暈中，也應該能探測到這樣的信號。
他們觀測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》雜志上，他們公布了研究成果。經過大約一年的觀測和曝光，“遺憾的是，我們什么都沒看到，”薩弗蒂說，“根據我們的結果，‘3.5KeV X光輻射源于暗物質’這一假說成立的可能性大幅下降了?！?br> 結案了嗎？也并不是。很多天文學家對這項研究采用的方法提出了質疑，他們認為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存在的強力證據。“我對這篇論文的技術部分持保留態(tài)度，”邁阿密大學的尼科·卡佩盧蒂（Nico Cappelluti）說，“他們采用的技術并不標準，所以我認為由此得出的結論有些草率?！绷硪晃晃锢韺W家，荷蘭萊頓大學的阿列克謝·博亞爾斯基（Alexey Boyarsky）態(tài)度更加直接：“我認識的大部分專家都認為這篇論文的主要結論是錯的，我看不出來他們如何從數據中得到這條不存在的結論?！?br> 博亞爾斯基和團隊也使用了XMM-Newton的數據來搜尋銀河系的X射線峰，并在2018年12月發(fā)表了一篇預印本文章，宣稱在銀河系中探測到了X射線峰，且結果具有顯著的統計學意義。博亞爾斯基認為，造成結論不同的原因是薩弗蒂團隊分析的能量范圍太窄，因此無法準確地從需要探測的“X射線峰”數據中去除宇宙背景輻射。
薩弗蒂則堅稱他的方法盡管此前沒有在X射線天文學中應用過，但在粒子物理領域，比如在大型強子對撞機中所進行的尋找暗物質的實驗中，已經證明了該方法的有效性。薩弗蒂說：“我們的觀點是，我們使用的數據分析方法更加穩(wěn)健，它不會讓你先入為主地認為自己看到了一些實際上不存在的東西?！睂τ诓﹣啝査够鶊F隊的結果，薩弗蒂說：“我的猜測是，他們得到的結果只是統計波動或是系統誤差?！?br> 然而，還是有很多科學家認為X射線信號是我們了解暗物質的一種非?？尚械姆绞??！拔艺J為，對于3.5 KeV線，我們需要新技術的輔助才能得到有意義的結論?！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。2014年，正是她和同事首次探測到了3.5 KeV線。日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）主導的XRISM項目將于2022年發(fā)射，屆時我們應該能知道這條譜線是否存在并符合暗物質的特點?！霸谀侵埃也粫陆Y論否定這條譜線起源于暗物質的可能性。”布爾布利說。
暗物質湮滅
銀河系中另一個有可能指向暗物質的信號，是銀河系中心來源不明的伽馬射線——一些天文學家認為這些射線源自暗物質的湮滅。在這個假說中，暗物質可以同時是物質及反物質。這樣，當兩個暗物質粒子相遇時，它們就會互相湮滅，并在此過程中形成伽馬射線。
2009年，費米伽馬射線太空望遠鏡首次發(fā)現了該信號，從那時起，科學家就對其起源爭論不休。盡管這些伽馬射線信號可以用暗物質模型來解釋，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的中子星（也就是脈沖星）發(fā)出的。
韓國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與數學研究所的奧斯卡·馬西亞斯（Oscar Macias）在一項新研究中，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，相比于暗物質的解釋，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，問題來了：留給暗物質的可能性還有多少？”加州大學爾灣分校的克沃爾科·阿巴扎吉安（Kevork Abazajian）說，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)表到了預印本網站。根據這篇論文的結論，伽馬射線來自于暗物質的可能性不大。“我們現在對暗物質湮滅持保留的態(tài)度。”
但同樣，對于這個結論，科學家還無法蓋棺定論。麻省理工學院的物理學家特蕾西·斯拉蒂耶（Tracey Slatyer）說：“這項分析的思路很棒，但它取決于我們目前對銀河系背景輻射的模型是否足夠準確。我擔心的是，如果模型不夠準確，這個結論也無法得出。”
最近幾年，一些研究發(fā)現銀河系中心那些過量的伽馬射線很可能是由單獨的“點光源”——比如脈沖星——發(fā)出來的。如果這些射線起源于暗物質，那我們應該能觀測到均勻分布的輻射，這與實際觀測結果不一致。然而斯拉蒂耶和她的同事麗貝卡·利恩（Rebecca Leane）發(fā)現，一種系統誤差會導致結果偏向于脈沖星，而實際上脈沖星的可能性并不比暗物質更大。斯拉蒂耶說：“這不意味著點光源就一定是錯的，或是那些伽馬射線一定源自暗物質。但對于那些認為伽馬射線來自點光源的研究，我們得小心看待?！?br> 存在危機
最終，關于暗物質的爭論依舊存在。新研究說明了這些神秘信號可能并不是如我們所想的來自于暗物質，這是否意味著暗物質可能根本不存在？“不是，”阿巴扎吉安說，“暗物質粒子的理論與我們觀測到的現象是如此契合，從亞星系尺度到整個宇宙的邊緣。毫無疑問，暗物質是存在的?！?br> 盡管絕大多數科學家對于暗物質存在的堅信無法動搖，但他們找到暗物質的希望又減少的一分。不僅是現有的天體物理學的證據難于捉摸，直接通過實驗來捕捉暗物質粒子的嘗試也未能取得進展。大型強子對撞機（LHC）中的研究，目前為止還沒有成果?！拔覀冊趯嶒炇依锟床坏剑贚HC里看不到，在太空中也看不到（暗物質粒子），”阿巴扎吉安感嘆道，“粒子物理學仿佛出現了一種存在性危機?！?br> 而科學家捕捉暗物質粒子的失敗，使得暗物質的真實“身份”更加迷霧重重。之前最熱門的候選者，大質量弱相互作用粒子（WIMPs），由于在實驗中沒有出現——或者由于阿巴扎吉安論文中的計算結果，可能性下降了?！爸叭藗兯J為的很多暗物質候選者被排除了，”薩弗蒂說?！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期。但換個角度想，這也是非常令人激動的。因為現在我們都在集思廣益，回到最基礎的地方，來探討暗物質到底可能是什么。”
撰文：克拉拉·莫斯科維茨（Clara Moskowitz）
翻譯：王語嫣
審校：吳非
文章來源：科學美國人
文章鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/milky-way-dark-matter-signals-in-doubt-after-controversial-new-papers/


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