我們星系的核心異常明亮。自 2009 年以來，天文學家就指出，來自銀河系核心的伽馬射線光芒過多——超過了所有已知光源的總和。從一開始，科學家們就懷疑他們看到了長期以來尋找的暗物質訊號，這種看不見的物質形式被認為瀰漫在宇宙中。但是，最近的兩項研究為另一種解釋提供了更多支援：伽馬射線來自一群被稱為脈衝星的自旋恆星，這些恆星的光線稍微暗淡，以至於目前的望遠鏡無法看到。
部分困惑源於對伽馬射線訊號的不確定性，該訊號出現在 NASA 費米伽馬射線太空望遠鏡的資料中。許多不同的研究小組分析了費米公開的資料，並聲稱看到了無法解釋的光線過量，但他們發現的細節以及如何解釋這些細節因小組而異。現在，費米望遠鏡團隊首次在提交給天體物理學雜誌的論文中證實了這種令人費解的過量。該研究提供了迄今為止對額外光線特性的最佳描述，例如其密度和在空間中的分佈及其波長光譜，以及所有汙染因素，例如望遠鏡中的系統誤差和其他可能混淆訊號的伽馬射線光源。該團隊的分析激發了科學家們可能終於接近理解該訊號的希望。
追尋暗物質
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伽馬射線光芒長期以來一直吸引著理論家的興趣，他們說這與對暗物質的特定解釋的預測驚人地吻合。暗物質一定在我們周圍，因為恆星和星系感受到它的引力——但它的構成尚不清楚。一種觀點是“弱相互作用大質量粒子”或 WIMP 構成了暗物質。這些粒子將是它們自身的反物質對應物，就像物質和反物質在接觸時會相互湮滅一樣，如果兩個 WIMP 發生碰撞，它們也會湮滅。在銀河系中心，暗物質被認為極其稠密，WIMP 會經常碰撞在一起，它們的爆炸可能會發出伽馬射線——正如費米所看到的那樣。
但這種光可能有一個更平凡的起源。脈衝星是曾經的大型恆星耗盡核聚變燃料並坍縮後的殘骸。它們以令人眼花繚亂的速度旋轉——許多脈衝星每毫秒完成一次完整旋轉——並以凝聚的光束髮光，這些光束像燈塔一樣與它們一起旋轉。已知脈衝星會發射伽馬射線，如果銀河系中心隱藏著足夠多的脈衝星，它們可能會促成這種過量。在費米分析之前發表的兩項近期研究支援了這一情景，它們發現額外的伽馬射線光看起來比平滑的光更呈團塊狀。如果光線來自單個物體（如脈衝星）而不是均勻分佈在空間中的暗物質粒子，則可以預期會出現團塊。“擁有一個基於點源而不是平滑發射的模型會改變你的統計資料，”麻省理工學院的物理學家特蕾西·斯拉特耶說。她與她的合作者，普林斯頓大學的瑪麗安吉拉·利桑蒂和塞繆爾·李，以及麻省理工學院的本·薩夫迪和魏雪一起，發現數據中“驚人地”偏好類脈衝星的點光源。由阿姆斯特丹大學的克里斯托夫·韋尼格領導的另一項研究使用不同的統計方法，得出了相同的結論。“目前，我認為毫秒脈衝星是最佳選擇，”韋尼格說。“雖然每個人都想找到暗物質訊號，但我們必須小心，不要妄下結論。”
然而，並非所有人都被說服。“我認為這些點源論文非常有趣，並且我已經仔細考慮了他們的論點，”費米國家加速器實驗室的天體物理學家丹·胡珀說，他是最早指出伽馬射線過量的人之一。“話雖如此，我並不相信點源是造成過量的原因。” 他說，團塊性的證據很可能僅僅是對其他伽馬射線源（例如宇宙射線與星際氣體之間的相互作用）的錯誤假設的結果。“在這一點上，我認為答案尚不清楚。”
脈衝星解釋的一個問題是，為什麼會有如此多的脈衝星聚集在銀河系中心樞紐周圍的球體中。“它看起來真的像是一個以不同方式形成的不同種群”，斯拉特耶說。普林斯頓高等研究院的天文學家蒂莫西·勃蘭特和本斯·科奇斯提出，圍繞銀河系執行的星團可能已被我們星系的引力破壞，導致它們將恆星（包括脈衝星）溢位到銀河系中心的球形殼層中。“這種解釋的好處在於，他們使用的模型是為不同的目的開發的，”斯拉特耶說，“他們得到的結果實際上與銀河系中心訊號非常吻合”。
新的費米合作研究中關於伽馬射線光的全面資訊應該有助於澄清情況。“我對這篇新論文評價很高，”胡珀說，並補充說它“為我們補充了許多細節”。費米團隊本身對光源持不可知論態度。“我們可以得出結論，在傳統的伽馬射線發射器之上存在過量，並且肯定有跡象表明存在新的東西，但現在就斷定存在暗物質訊號還為時過早，”加州大學歐文分校的西蒙娜·穆爾吉亞說，她是費米論文的主要合著者之一。至於脈衝星，“就我個人而言，我會說它們同樣有可能。”
尋找證據
好訊息是，如果脈衝星是造成過量的原因，那麼未來更強大的望遠鏡應該能夠直接發現那些太微弱而無法看到的自旋恆星。脈衝星將成為下一代射電望遠鏡的主要目標，例如正在南非建設中的 MeerKAT 和包括 MeerKAT 在內的平方公里陣列 (SKA)，該陣列將於 2020 年在南部非洲和澳大利亞投入使用。“如果我們在未來五到十年內未能找到它們，那麼暗物質解釋再次變得更有可能，”韋尼格說。“這幾乎是一個雙贏的局面。但我們必須要有耐心。”
與此同時，對暗物質解釋的支援可能會更快出現。如果 WIMP 是隱形物質的原因，它們可能會在粒子碰撞中出現，這種碰撞發生在世界上最大的原子對撞機——大型強子對撞機 (LHC) 中，該對撞機最近以其有史以來最高的能量重新啟動。所謂的直接探測搜尋也在地下實驗中尋找 WIMP，旨在捕捉這些難以捉摸的粒子與普通物質相互作用的罕見行為。粒子加速器和直接探測器尚未看到暗物質粒子這一事實已經對可能存在的 WIMP 型別施加了強烈的約束。阿姆斯特丹大學的天體物理學家弗朗西斯卡·卡洛雷和她的同事最近結合了來自所有各種搜尋的理論約束以及來自銀河系中心的資料。他們發現許多 WIMP 模型已被資料排除，但仍有一些模型是合理的。“結果表明，有一些有趣的區域可以透過 LHC 的下一輪探測來探測，這實際上可以在明年進行測試，”卡洛雷說。
對暗物質假設的另一種檢驗來自矮星系。畢竟，如果 WIMP 在銀河系中心湮滅，它們也一定在其他星系的核心中湮滅。該訊號在鄰近的大型星系中太微弱而無法看到，但應該在圍繞銀河系執行的“矮球狀”星系中顯示出來，這些星系被認為暗物質極其稠密。“但矮星系沒有訊號，”加州大學歐文分校的凱沃克·阿巴西安說，他指出，在大約 30 個已知的矮星系中，只有一個顯示出伽馬射線過量的跡象。“故事似乎是矮星系是黑暗的，而銀河系中心是明亮的。” 事實上，矮星系中缺乏伽馬射線似乎嚴重質疑了銀河系光芒的暗物質解釋，阿巴西安和一位合作者在上個月提交給預印本伺服器 arXiv 的一篇論文中發現。
如果未來幾年矮星系、粒子加速器和直接探測實驗繼續空手而歸，那麼 WIMP 對暗物質以及銀河系過量伽馬射線的解釋的合理性將進一步受到質疑。銀河系中心脈衝星的搜尋也是如此。很快，這些想法應該得到證實或證偽。“我一直擔心這種過量，我們永遠不會在任何其他暗物質通道中找到確證訊號，但也沒有良好的天體物理學觀測結果”，例如脈衝星，斯拉特耶說。“作為一名科學家，這是一種非常令人沮喪的境地。” 幸運的是，她說，這種情況最終看起來越來越不可能發生了。