暗物质或首次“现形”，科学家在银河系中心捕捉到神秘光晕

20 世纪 30 年代，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）在观测星系团时注意到了一个反常现象：星系团中可见物质的质量，似乎远不足以产生足够的引力来拉住那些高速运动的星系。

如果按照万有引力定律，这些星系本该飞散开来，但它们却始终正常地高速运转着。于是他猜测：一定存在一种看不见的物质，提供了额外的引力，将它们牢牢维系在一起。

随后的几十年里，这个推论不断证实。这种看不见的物质，总质量占据宇宙中约 85%。它不发光，也不反射光，被称为“暗物质”（dark matter）。一直以来，物理学家虽然可以通过引力效应感知它们的存在，却从未直接观测到构成暗物质的粒子本身。因此，人类对其理解至今仍停留在理论假设阶段。

而在近日，科学家或许首次“看见”了这种隐藏了近百年的宇宙幽灵。

11 月 26 日，东京大学天文学系教授户谷友则（Tomonori Totani）在权威期刊 Journal of Cosmology and Astroparticle Physics《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上发表了一项最新研究成果。

户谷友则宣称，通过深度分析 NASA 费米伽马射线太空望远镜的观测数据，他在银河系中心区域发现了一个巨大的伽马射线“光晕”。

研究指出，该光晕的能谱特征和空间分布，与理论物理学中预测的暗物质粒子“湮灭”迹象高度吻合。如果这一发现随后能通过独立观测的验证，这将是人类历史上首次通过非引力手段直接探测到暗物质粒子的物理踪迹。

图 | 户谷友则（来源：东京大学官网）

为了理解这项发现，首先需要了解物理学界对暗物质的主流猜想。目前科学家普遍认为，暗物质由一种被称为“弱相互作用大质量粒子”（WIMPs）构成。

这种粒子的质量非常大，远超我们熟悉的质子，但它们性格极度“孤僻”，几乎不与任何普通物质发生反应，这就是为什么它们能穿过我们的身体和探测器而不被察觉。

但这种隐形并非绝对。当两个暗物质粒子在宇宙空间中正面相撞时，它们会发生湮灭——即相互毁灭，并释放出巨大的能量。这个过程会产生高能光子，也就是伽马射线。

就像两辆在黑夜中行驶的隐形汽车，虽然我们在雷达上看不到车身，但当它们猛烈相撞时，瞬间迸发出的火花却是肉眼可见的。科学家要寻找的，正是源自黑暗撞击的火花。

理论上说，寻找这抹火花的最佳地点是银河系中心，因为那里的引力最强，聚集的暗物质最多，发生碰撞的概率也最大。

但银河系中心环境极其复杂，观测难度极大。这里聚集了大量的恒星、超新星遗迹和活跃的黑洞，这些天体本身就会发出强烈的伽马射线。要在如此嘈杂的背景辐射中分辨出暗物质微弱的湮灭信号，难度不亚于在满座的体育场里试图听清一个人的悄悄话。

过去的研究往往因为无法将微弱的信号从背景噪音中分离出来，导致结果模糊不清，有时甚至将普通天体的辐射误认为是暗物质。

户谷友则教授此次采取了“退一步”的策略。

他没有像以往的研究那样死盯着信号最强，但也最混乱的银河系核心，而是将视野拉大，观测了以银河系中心为圆心、向外延伸约 100 度的广阔区域。

在处理数据时，他构建了一个过滤模型，直接屏蔽掉了银河系盘面。银河系盘面是恒星和气体云最集中的地方，相当于噪音最大的街道。通过遮住这部分区域，并剔除其他已知的干扰源，他成功在数据中分离出了一种残留的辐射信号。

这个信号不是集中在某一点，而是像一团稀薄的雾气（光晕），包裹在银河系周围向外延伸。

（来源：户谷友则论文）

这项发现最核心的证据在于这团雾气的颜色——即伽马射线的能量特征。分析显示，这些射线的能量集中在 20 吉电子伏特（GeV）附近。

在微观物理世界里，特定的粒子反应会释放出特定能量的光子，这就像是粒子的“指纹”。户谷教授发现，这个 20 GeV 的能量峰值，与理论计算中质量为质子 500 倍的暗物质粒子发生碰撞时所应产生的能量指纹精确吻合。

（来源：户谷友则论文）

此外，根据观测到的亮度反推出的粒子碰撞频率，也与理论预测完全一致。在能量、分布形态和反应速率三个维度上都实现了高度吻合。

不过，科学界对此结果保持着谨慎。因为过去曾有过“狼来了”的经历：十多年前，科学家也曾在银河系中心发现过异常的伽马射线信号，但后来证实那主要是由大量古老的脉冲星（一种高速旋转的死亡恒星）产生的。

针对这一怀疑，户谷教授指出了此次发现的关键区别：空间分布。

之前的疑似信号主要集中在银河系核心，分布形状比较扁平，与恒星的分布重合。这很好理解，因为脉冲星本质上是恒星的遗骸，恒星在哪，它就在哪。

但此次发现的 20 GeV 信号，呈现出球状的光晕形态，并延伸到了银河系盘面之外极其荒凉的区域。那里几乎没有恒星，也就很难用脉冲星来解释。

值得注意的是，这项重磅研究是由户谷教授独立署名发表的，这在通常由数百人合作的现代高能物理研究中较为罕见。这意味着数据处理过程主要依赖其个人判断，尚未经过大型合作团队内部那种多轮交叉验证。

图｜户谷友则论文（来源：arXiv）

未来的验证将以两个方面为切口。首先是观测银河系周围的矮星系。这些小星系富含暗物质，但几乎没有恒星活动，是非常干净的实验室。如果在那里也能看到同样的 20GeV 信号，将是决定性的证据。

其次，既然已经锁定了“质子 500 倍质量”这个参数，地球上的大型强子对撞机（LHC）就可以调整实验，尝试在实验室中人工制造出这种粒子，从而实现天体观测与地面实验的相互印证。

1.20 GeV halo-like excess of the Galactic diffuse emission and implications for dark matter annihilation

DOI: 10.1088/1475-7516/2025/11/080

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

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