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美國佐治亞州薩凡納市——科學家表示，來自銀河系中心的伽馬射線可能是暗物質粒子碰撞的結果。如果是這樣，從NASA的費米太空望遠鏡收集到的訊號將標誌著首次間接探測到構成暗物質的粒子，這種隱秘而難以捉摸的物質貢獻了宇宙中大部分的物質。
理論上，看不見的暗物質數量遠遠超過恆星、星系和我們身上的普通物質，但一直無法直接測量。研究人員之前已經從費米觀測到暗物質訊號的跡象，但新的分析為一種無法輕易用其他銀河系活動解釋的模式提供了迄今為止最強有力的證據。如果訊號來自暗物質，則表明存在一種新型的亞原子粒子，甚至可能存在宇宙中的一種新力。“我認為這是我們目前擁有的最令人興奮的訊號，它實際上可能歸因於暗物質，”普渡大學物理學家拉斐爾·朗在週六於此舉行的美國物理學會四月會議上說，他並未參與這項研究。
然而，這種引人入勝的光仍然有可能具有更平凡的起源，例如被稱為脈衝星的自旋恆星。“我認為這是一個引人注目的暗物質可能訊號，但僅憑它本身還不足以說服我們，”麻省理工學院的特雷西·斯拉特耶說，她是這項研究的共同作者之一，該研究已提交給物理評論D（pdf）。
對於暗物質的一種主要解釋是，它由弱相互作用大質量粒子（WIMP）組成，這些粒子是理論上的，但迄今為止尚未被探測到。WIMP被認為是它們自身的反物質夥伴，因此會在碰撞時相互湮滅——就像物質和反物質一樣。這種WIMP湮滅會產生正常的物質粒子，這些粒子反過來會產生高能光子，或者我們可以看到的光粒子。由於暗物質應該在銀河系核心最密集，因此那裡是尋找湮滅的最佳地點。
費米望遠鏡掃描天空中的高能伽馬射線光，最新的分析明確顯示，它在我們星系中心看到的比預期的光更多。之前的分析結果尚無定論，而斯拉特耶和她的同事們發現，當他們只考慮費米可以測量天空上可靠起源路徑的光子，並消除那些方向不確定的光子時，就發現了一個明顯的訊號。在這個較小的資料集中，費米顯示，在距銀河系中心至少5000光年的球體範圍內，光子過量均勻分佈。它們的能量介於10億到30億電子伏特（GeV）之間，這使得它們比可見光能量高約10億倍。“這是一個相當顯著的訊號，它是一個非常對稱的訊號，並且超出了預期數量約10,000個光子，”斯坦福大學的物理學家布拉斯·卡布雷拉說，他從事低溫暗物質搜尋，這是目前全球眾多地下實驗之一，旨在尋找罕見的暗物質粒子與正常物質粒子直接相互作用的例項。
如果訊號確實是由暗物質產生的，斯拉特耶和她的同事計算出，不可見的粒子重量約為質子質量的30到35倍，或約30到35 GeV。這引起了卡布雷拉的興趣，他說這樣的粒子應該已經在直接探測實驗中出現過了。“我們已經為30 GeV範圍內的最佳靈敏度進行了調整，”他說。質量為該粒子的粒子也可能已在瑞士的大型強子對撞機（LHC）中出現。“如果這是我們在銀河系內部看到的暗物質，那麼我們在LHC或直接探測中沒有看到它，這已經告訴我們一些關於其相互作用的非常有趣的事情。”
例如，基本理論預測暗物質粒子透過交換Z玻色子或希格斯玻色子與正常粒子相互作用，它們分別與弱力和賦予粒子質量的機制相關聯。但是，如果暗物質粒子的質量約為30 GeV，那麼直接探測實驗應該已經看到這些相互作用。一種可能性是，暗物質可能正在透過除Z玻色子或希格斯玻色子之外的新型中間粒子相互作用，這與未知的第五種基本力有關。“如果透過發現暗物質，我們也發現了自然界的一種新力，那將是非常令人興奮的，”斯拉特耶說。
然而，費米訊號可能根本不是由暗物質引起的。過量的光也可能起源於自旋速度極快的脈衝星，它們每毫秒完成一次完整旋轉。人們認為恆星的磁場將帶電粒子加速到接近光速，進而以伽馬射線波長髮射高能光子。然而，這種解釋存在一些問題。“毫秒脈衝星在較低能量（低於約1 GeV）下產生的伽馬射線比觀測到的銀河系中心發射更多，”哥倫比亞大學的脈衝星專家斯拉夫科·博格達諾夫說。此外，費米觀測並沒有在銀河系中心識別出足夠多的單個脈衝星來解釋這種光。加州大學歐文分校的天文學家凱沃克·阿巴扎吉安說，“那必須是我們不瞭解的一種脈衝星，”，他單獨研究了費米訊號。他說，這是一種明顯的可能性，“想到一類新的脈衝星比想到一種全新的物質更容易。”
一個更確定的測試是在圍繞銀河系執行的幾十個矮星系中的一些星系內部看到相同的伽馬射線過量。人們認為這些天體中的暗物質特別密集，因此如果暗物質湮滅，應該在那裡發生。已知的矮星系昏暗且難以研究，到目前為止，尚未出現明顯的過量光。然而，即將上線的新的天文臺可能會發現新的矮星系作為目標。“如果預期的訊號強度在銀河系衛星中也存在相同的過量，那將使我相信我們看到的是暗物質湮滅產生的伽馬射線，”加州大學歐文分校的馬諾吉·卡普林哈特說，他與阿巴扎吉安合作對費米訊號進行了一項獨立研究。“當然，在我們的一家地下實驗室中對暗物質進行確鑿的直接探測將是決定性的。”