在我們尋找暗物質的宇宙訊號時，我們可能被比作醉漢在燈柱下尋找丟失的鑰匙，因為那裡光線最亮。“燈柱”是太空區域，那裡充滿了星系和星系團，這些星系和星系團被認為嵌入在密集的暗物質雲或“暈”中。如果我們轉而將目光投向宇宙空洞——廣闊的、主要由空曠空間組成的天區，會怎麼樣呢？在一項新的預印本研究中，三位研究人員認為，雖然來自宇宙這些區域的暗物質總體訊號會較弱，但它也較少受到天體物理源的汙染，因此可能更容易被發現。
“這是一個新穎的想法，” 德國慕尼黑大學路德維希-馬克西米利安大學的宇宙學家尼科·哈姆斯說，他沒有參與這項研究。“而且不僅僅是想法，它還得到了一些有道理的計算的支援。”
暗物質被認為構成宇宙中超過 80% 的物質。這一估計主要基於這種神秘物質似乎對構成普通物質的氣體、塵埃、恆星和星系施加的引力影響。例如，星系的自轉速度如此之快，以至於如果沒有暗物質的引力將它們聚集在一起，它們早就解體了。
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物理學家們最普遍的猜測是，暗物質是由所謂的弱相互作用重粒子（WIMP）構成的。但是，儘管數十年來人們一直在粒子加速器和埋在地下深處極其靈敏的探測器中尋找 WIMP，以最大限度地減少來自宇宙射線和其他來源的虛假訊號，但 WIMP 的直接證據一直難以捉摸。儘管如此，義大利都靈大學的研究合著者尼科勞·福倫戈說，WIMP 仍然是暗物質的首選候選者。
根據幾乎所有基於 WIMP 的模型，如果這些粒子如預期的那樣是重粒子——例如，在幾個千兆電子伏特 (GeV) 到幾個太電子伏特 (TeV) 之間（其中 1 GeV 約等於一個質子的質量）——那麼它們最終應該會衰變或相互碰撞並湮滅，這兩種情況都會產生伽馬射線。“如果暗物質產生[伽馬射線]，訊號應該就在那裡，” 福倫戈說。
目前的伽馬射線天文臺，特別是 NASA 的費米任務及其大面積望遠鏡 (LAT)，探測到瀰漫性的全天“背景”伽馬射線。一旦減去所有已知天體物理源（例如脈衝星和吞噬物質的超大質量黑洞）的貢獻，這種背景就是剩餘的無法解釋的超額部分。並且它在天空中分佈不均勻——這與天體物理學家對暗物質發射以及即使是最好的費米 LAT 也無法分辨的天體物理源的預期相符。就暗物質而言，衰變和湮滅 WIMP 的伽馬射線輝光應與大規模宇宙結構相關聯，從物質密集的區域發出更亮的光芒，從空洞發出較暗的光芒。早期研究表明這種相關性存在，但到目前為止，此類研究大多避開了空洞，而是專注於充滿星系和星系團的更明亮區域。
為了瞭解與過度密集區域相比，是否可以更好地從空洞中提取這種訊號，該團隊模擬了它應該如何從這兩種型別的宇宙結構中發出。他們的結果表明，雖然來自空洞內暗物質和普通物質的組合伽馬射線輻射將比來自過度密集區域的輻射弱得多，但這種弱點實際上賦予了一個優勢：相對缺乏普通物質確保了更少的天體物理源，否則這些天體物理源會掩蓋暗物質的伽馬射線輻射。“這是在測量更強但汙染更嚴重的訊號與測量更弱但更乾淨的訊號之間進行權衡，” 福倫戈說。他和他的同事的研究已提交給Journal of Cosmology and Astroparticle Physics。
該團隊還發現——這在某種程度上並不令人意外——來自這些空洞中暗物質的大部分伽馬射線應該透過粒子的衰變而不是湮滅產生。為了使兩個粒子湮滅，它們必須首先碰撞，而 WIMP 在宇宙空洞中相互找到彼此的機率很低。但是粒子應該衰變，而與它們的分佈密度無關。“衰變只是探測[體積]空間內的整個質量，” 福倫戈說。“而空洞的質量不是一個小數字。它仍然是一個很大的物體。只是密度較低。”
哈姆斯說，由於其卓越的信噪比以及對探測來自衰變粒子的伽馬射線的偏好，該技術可能為暗物質的性質提供新的見解，而僅透過對過度密集區域的伽馬射線研究是無法獲得的。例如，暗物質粒子的平均壽命越長，在給定的空間和時間內應該發生的衰變就越少。雖然如此微弱的訊號通常是無法檢測到的，但在空洞中情況就不一樣了。“因為你的訊號背景[噪聲]比較高，所以你可以在引數空間的探索中走得更遠，” 他說。
紐約大學的天體物理學家安東尼·普倫與這項研究無關，他對近期對其核心思想的檢驗持謹慎樂觀態度。多項大規模宇宙結構調查計劃於本十年晚些時候在下一代設施上啟動，例如歐洲航天局 (ESA) 的歐幾里得空間望遠鏡、NASA 的南希·格蕾絲·羅曼空間望遠鏡和地面維拉·C·魯賓天文臺。“隨著這些調查上線，你將擁有這些非常大的資料集。我們能夠探測到的星系越多，我們就越能實際繪製出空洞的位置，” 普倫說。“這將有助於此類研究。在未來幾年內，你可能會看到類似這樣的概念驗證。”
福倫戈和他的同事表示，今天，這樣的概念驗證將不得不依賴費米 LAT 收集的伽馬射線資料——但這無法勝任這項任務。他們計算得出，要做出明確的探測，就需要新一代伽馬射線儀器，其探測器體積是費米 LAT 的兩倍，角解析度（區分天空中不同來源的能力）是費米 LAT 的五倍。“如果能有一個‘新費米’，那將是一個偉大的進步，” 福倫戈說，儘管他承認，就目前而言，這種探測器只存在於他們的夢想中。但這並沒有阻止該團隊給它起一個恰如其分的義大利暱稱：Fermissimo。