天文學上的許多重大發現都始於無法解釋的訊號：脈衝星、類星體和宇宙微波背景輻射只是眾多例子中的三個。最近，當天文家們發現來源不明的 X 射線時，這引發了一個令人興奮的假設。也許這是暗物質的跡象，暗物質是構成宇宙中約 85% 物質的不可見物質。如果是這樣，這暗示粒子的特性與目前流行的模型預測的不同。
歐洲航天局的 XMM-牛頓軌道望遠鏡發現的異常 X 射線，起源於兩個不同的源頭：仙女座星系和英仙座星系團。挑戰在於確定是什麼產生了這些 X 射線，正如上個月發表在《物理評論快報》上的一項研究中所描述的那樣。（另見早期發表在《天體物理學雜誌》上的一項研究。）訊號是真實的，但很微弱，天文學家現在必須確定它是非同尋常的還是有平凡的解釋。如果能夠做到這一點，他們就可以著手確定是哪種暗物質可能是罪魁禍首。
“如果 [X 射線輻射] 線被確鑿地證明是由暗物質引起的，那麼其意義當然是深遠的，”加州大學爾灣分校天體物理學家 Kevork Abazajian 在 2014 年 12 月 15 日發表在《物理評論快報》上的一篇評論中寫道。
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如果您覺得這個觀測結果聽起來很熟悉，那是因為使用 NASA 費米伽馬射線太空望遠鏡的研究人員在銀河系中心附近探測到異常伽馬射線，一些人認為這可能來自暗物質粒子碰撞和湮滅。費米和 XMM-牛頓觀測之間的區別在於所涉及的光的能量，這與產生它的假設暗物質粒子的質量有關。費米的伽馬射線的能量比 X 射線高一百萬倍以上，因此產生前者的粒子將比質子更重。
另一方面，X 射線必須起源於比電子輕得多的粒子。（對於那些在家關注的人來說，X 射線的能量約為 3.5 千電子伏特，相當於不到電子質量的百分之一。）然而，如果 XMM-牛頓的探測是暗物質的跡象，那也不會是由於弱相互作用大質量粒子 (WIMP) 造成的，WIMP 是研究人員認為構成暗物質的最熱門候選者。
其他潛在的暗物質粒子可能包括惰性中微子——在許多核反應中產生的型別中較重的表親——或更奇特的可能性，例如軸子，最初預測用於解決粒子物理學中一個不相關的問題。這兩種粒子仍然是假設性的，但如果它們存在，它們的質量將遠小於電子。
如果罪魁禍首是惰性中微子，它們將擁有略大於 X 射線光子能量的質量。它們會衰變成眾所周知的標準中微子，其餘質量轉化為 X 射線光——正是 XMM-牛頓觀測到的訊號。然而，這個想法存在一些問題：銀河系中沒有等效的 X 射線，其他尋找惰性中微子的實驗也一無所獲。
相比之下，軸子是穩定的，但它們在強磁場存在下會轉化為光子。由於星系和星系團產生如此強烈的磁場，它們是主要的軸子製造者。產生異常 X 射線所需的粒子（技術上稱為“類軸子粒子”）的質量將高於典型的軸子，但在某些理論允許的約束範圍內。
最大的擔憂是很難排除其他可能的 X 射線源。原子會根據其電子的構型發射特定能量的光，但物理學家尚未識別出所有這些能量，尤其是對於 X 射線。換句話說，這種不明訊號可能只是來自普通原子或熱等離子體的新發射線。正如一種新的發射線來自普通原子或來自熱等離子體。正如
法國國家科學研究中心/巴黎南大學粒子物理學家亞當·法爾科夫斯基寫道，你是否接受暗物質的解釋取決於你如何建模等離子體發射：“看來魔鬼藏在細節中……（坦率地說，這並不令人放心）。”
最新研究的作者認為等離子體選項不太可能，因為銀河系包含的等離子體相對較少。另一個問題是，X 射線發射的位置與星系團中質量分佈圖之間似乎存在不匹配，而質量分佈圖暗示了暗物質的隱藏位置。
日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA) 計劃於今年發射的名為 Astro-H 的 X 射線天文臺將攜帶足夠精密的儀器，以區分原子發射和暗物質特徵。而且，更多的資料總是更好；找到其他具有相同型別 X 射線發射的星系和星系團——尤其是那些更遙遠的星系團——將有助於限制可能性。
最終，天文學家必須嘗試將一個重大的主張——暗物質探測——與一個相對較弱的天文訊號調和起來，這個訊號可能有幾種平凡的解釋。“我認為那些利用微弱結果並以此為跳板的人會遇到麻煩，”華盛頓大學粒子物理學家萊斯利·羅森伯格在談到軸子假說時說道。就目前的情況而言，從異常的 X 射線訊號到明確探測到構成宇宙中大部分質量的物質，這一步跨越很大。與任何引人注目的新發現的主張一樣，現在最好還是持保留態度。