突破！人类可能首次“看见”暗物质

来源：中国科学报

编译：李木子

20世纪30年代初，瑞士天文学家Fritz Zwicky观察到太空中的星系移动速度超过其质量允许的水平，由此推断太空中存在某种看不见的“脚手架”——暗物质，将星系凝聚在一起。近百年后，美国国家航空航天局（NASA）费米伽马射线空间望远镜可能提供了有关暗物质的直接证据，让这种不可见的物质首次被“看见”。相关研究11月25日发表于《宇宙学与天体粒子物理杂志》。

伽马射线强度分布图，其中灰色部分对应未被纳入分析范围的区域。图片来源：东京大学

暗物质自提出以来一直是个谜团。到目前为止，科学家只能通过暗物质对可见物质的影响来间接观测它。暗物质能产生足够引力将星系凝聚在一起。暗物质无法被直接观测到的原因是构成它的粒子不与电磁力相互作用，这意味着暗物质不会吸收、反射或发射光线。许多科学家推测，暗物质由弱相互作用大质量粒子（WIMP）构成。这类粒子比质子重，几乎不与其他物质发生作用。尽管相互作用微弱，科学家预测，当两个WIMP相撞时会湮灭，并释放伽马射线光子等。

多年来，科学家通过天文观测，锁定了暗物质集中的区域，如银河系中心，以寻找上述特定的伽马射线。利用来自费米伽马射线空间望远镜的最新数据，日本东京大学教授Tomonori Totani认为，他终于探测到了理论暗物质粒子湮灭时释放的特定伽马射线。

“我们探测到光子能量为20千兆电子伏特的伽马射线。它们以类似光环的结构向银河系中心延伸。这种伽马射线辐射的形态特征与暗物质晕的理论形状高度吻合。”Totani说。

此外，研究人员观测到的能谱，即伽马射线辐射强度的范围，与假设的WIMP湮灭辐射相匹配。该WIMP的质量约为质子的500倍。研究人员根据测量到的伽马射线强度估算出的WIMP湮灭频率，同样处于理论预测范围内。更重要的是，这些伽马射线测量结果很难用其他常见的天文现象或伽马射线辐射解释。因此，Totani认为这些数据是暗物质伽马射线辐射的有力迹象。

“如果这是正确的，据我所知，这将是人类首次‘看见’暗物质。暗物质是一种未被纳入现有粒子物理学标准模型的新粒子。这标志着天文学和物理学的一项重大进展。”Totani说。

尽管Totani确信他探测到了暗物质粒子，但该研究结果必须通过其他研究人员的独立分析验证。即使得到确认，科学家还需要找到更多证据证明这种类光环辐射确实是暗物质湮灭的结果，而非源自其他天文现象。

在其他暗物质高浓度区域发现WIMP碰撞的更多证据，将有力佐证初步研究成果。例如，若能探测到银河系晕内矮星系发出相同能量的伽马射线辐射，将为Totani的分析提供支持。

“一旦积累更多数据，这一目标便有望实现，将为我们提供更有力证据，证明伽马射线源自暗物质。”Totani说。