關注焦點:太空望遠鏡或將聚焦銀河系中心,搜尋暗物質

費米伽瑪射線太空望遠鏡團隊正在考慮一項新的觀測策略,該策略將專注於星系中心

美國宇航局首屈一指的伽瑪射線太空望遠鏡可能在未來幾個月內改變策略,從平等機會掃描整個天空轉變為優先觀測我們銀河系中心的模式。新策略可能有助於費米望遠鏡發現更多被稱為脈衝星的自旋恆星,觀測一團正與星系超大質量黑洞發生碰撞的雲,甚至可能找到暗物質的證據。

2013年3月,在五年如常執行後,費米團隊公開徵集替代觀測策略。收到了五項提案,8月份一個審查小組召開會議討論這些想法。最終,審查小組推薦了一項基於優先觀測銀河系中心的提案的新策略。

到目前為止,費米每三小時覆蓋整個天空。根據新計劃,望遠鏡仍將每天至少掃描天空中的每個點一次,但會偏愛星系中心,從而積累更好的測量統計資料。該策略是在純粹關注銀河系中心和許多依賴於天空其他地方觀測的專案之間取得的折衷。“當人們理解這種模式是可能的,並且我們對其進行更定量的研究後,關於為了偏袒其他科學而拋棄某些科學的擔憂確實變得不那麼尖銳了,” 費米團隊成員塞思·迪格爾在加利福尼亞州門洛帕克的 SLAC 國家加速器實驗室說道,他曾在審查小組任職。關於新策略的最終決定將在公眾評議期結束後做出,並且團隊要確保這一變化不會損害航天器或對其反作用輪或其他元件造成不必要的壓力。


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觀測銀河系中心最誘人,但也可能是最遙遠的目標之一,是闡明能量範圍為 130 吉電子伏特 (GeV) 的伽瑪射線光的可能訊號是否真實存在。該訊號最初由當時在德國馬克斯·普朗克物理研究所,現任職於荷蘭阿姆斯特丹大學的 克里斯托夫·韋尼格在 2012 年 4 月提出,但尚未達到足以聲稱發現的統計顯著性水平。研究人員有多個理由懷疑這條 130-GeV 線是否真的存在——但如果它確實存在,那麼它就是“暗物質的明確訊號”,麻省理工學院的蘇孟說道。

蘇孟說,目前標準模型中沒有粒子可以解釋這條線。如果它存在並且不是儀器錯誤的結果,那麼它很可能是由聚集在銀河系稠密中心內的暗物質粒子的湮滅引起的。暗物質的主要候選者之一是一類被稱為 WIMP(弱相互作用大質量粒子)的粒子,這些粒子與常規物質的相互作用非常罕見,但會產生引力。理論上,WIMP 是它們自身的反物質夥伴,這意味著如果兩個 WIMP 足夠接近,它們就會像物質和反物質接觸時一樣相互摧毀。爆炸可能會產生 130 GeV 光子的光。(儘管 130 GeV 聽起來與最近發現的 希格斯玻色子粒子 的 125-GeV 質量非常接近,但研究人員表示,這種相似性可能只是巧合。)馬德里康普頓斯大學的內斯托爾·米拉巴爾說:“如果最終採用替代觀測策略,它可能會成為我們探索理解暗物質的必要步驟。” 他與韋尼格、蘇孟和其他人共同撰寫了提出銀河系中心觀測策略的白皮書。

許多科學家對 130-GeV 線是暗物質持懷疑態度。自從首次被注意到以來,過去一年中增加更多資料並沒有提高訊號強度。此外,該特徵落在比望遠鏡的能量解析度(儀器可以區分的最小能量範圍)更窄的能量範圍內,這讓人懷疑真實訊號是否會如此尖銳。費米對地球邊緣的觀測中也可能存在 130-GeV 訊號,地球邊緣是宇宙射線撞擊地球大氣層產生伽瑪射線光芒的地方。如果 130-GeV 光子來自暗物質,則不應出現此特徵。然而,無論如何,該訊號都很神秘,獲得更多資料應該有助於理清其起源。“我們感覺,在新觀測策略實施一年後,我們可以嗅探到訊號是真實的還是虛假的,” 蘇孟說。

但暗物質並不是將費米指向銀河系中心的唯一動機。“就其本身而言,這可能不是一個足夠有說服力的理由,” 同樣在 SLAC 工作,也曾在審查替代觀測策略的小組中任職的埃裡克·查爾斯說。“我們不一定只有一個理由想要這樣做——有很多理由。”

花更多時間觀察銀河系中心應該也允許費米發現更多脈衝星,脈衝星被認為在銀河系內部很常見。這些緻密的恆星由物質緊密堆積而成,以至於它們的原子已經凝聚成中子,並且當它們快速旋轉時,它們會發出光束,像燈塔訊號一樣呈圓形掃過。探測這些奇異天體的運作是費米的主要目標之一。

另一個動機是預計很快在星系中心發生的罕見事件。一團名為 G2 的氣體雲,於 2011 年被發現,註定要被那裡的巨型黑洞吞噬,並可能在此過程中釋放伽瑪射線。“觀看物質被超大質量黑洞吸積是一生難得一遇的事件,” 蘇孟說。費米團隊確定,如果新策略獲得透過,則應不遲於 12 月開始實施,部分原因是為了利用這個機會。

克拉拉·莫斯科維茨大眾科學的高階編輯,她在那裡負責報道天文學、太空、物理學和數學。她在大眾科學工作了十年;此前她曾在 Space.com 工作。莫斯科維茨曾對火箭發射、太空梭升空和著陸、亞軌道太空飛行訓練、山頂天文臺等進行過現場報道。她擁有衛斯理大學天文學和物理學學士學位,以及加州大學聖克魯茲分校科學傳播研究生學位。

更多作者:克拉拉·莫斯科維茨
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