一些科學家認爲，靠近銀河系中心的“暗物質暈”，正是暗物質衰變留下的痕跡。

我們都知道它的存在，但它看不見、摸不着，沒有人知道它到底是什麼——這就是暗物質。現在，科學家可以確定它幾乎填滿整個宇宙，佔據了宇宙物質質量的85%，但依然無法確定這種神祕的物質是由什麼組成的。

一段時間以來，天體物理學家格外關注宇宙中的兩股神祕信號，因爲它們可能源於暗物質：銀河系中心大量難以解釋的伽馬射線信號，以及在其他星系和星系團中觀測到的X射線峯。這些信號被認爲是暗物質自我湮滅並衰變所生成的粒子。然而，最近發表的兩篇論文似乎讓這種可能性下降了，但也引發了更激烈的爭論。

3.5 KeV線

2014年，天文學家在利用XMM牛頓望遠鏡觀測英仙座星系團的放射光譜時，在能量3.5 千伏特（KeV）處看到一條明亮峯線，即所謂“X射線峯”。隨後，在很多的星系和星系團（包括我們的近鄰仙女座星系）中都觀測到這樣的信號。這個發現在當時非常振奮人心，因爲一種暗物質候選粒子——惰性中微子——可以衰變爲可見物質，並釋放出和觀測結果一致的輻射。

最近，密歇根大學的本傑明·薩弗蒂（Benjamin Safdi）與同事分析了XMM牛頓望遠鏡觀測到的大量數據後，決定通過這種方式在銀河系中尋找X射線峯。如果該輻射來源的確是暗物質衰變，那麼在銀河系的暗物質暈中，也應該能探測到這樣的信號。

他們觀測了銀河系較爲空曠的天區，尋找3.5 KeV 處的X射線峯。在近期的《科學》雜誌上，他們公佈了研究成果。經過大約一年的觀測和曝光，“遺憾的是，我們什麼都沒看到，”薩弗蒂說，“根據我們的結果，‘3.5KeV X光輻射源於暗物質’這一假說成立的可能性大幅下降了。”

結案了嗎？也並不是。很多天文學家對這項研究採用的方法提出了質疑，他們認爲X射線峯還是很可能在銀河系中存在，並依舊可以看做是暗物質存在的強力證據。“我對這篇論文的技術部分持保留態度，”邁阿密大學的尼科·卡佩盧蒂（Nico Cappelluti）說，“他們採用的技術並不標準，所以我認爲由此得出的結論有些草率。”另一位物理學家，荷蘭萊頓大學的阿列克謝·博亞爾斯基（Alexey Boyarsky）態度更加直接：“我認識的大部分專家都認爲這篇論文的主要結論是錯的，我看不出來他們如何從數據中得到這條不存在的結論。”

博亞爾斯基和團隊也使用了XMM-Newton的數據來搜尋銀河系的X射線峯，並在2018年12月發表了一篇預印本文章，宣稱在銀河系中探測到了X射線峯，且結果具有顯著的統計學意義。博亞爾斯基認爲，造成結論不同的原因是薩弗蒂團隊分析的能量範圍太窄，因此無法準確地從需要探測的“X射線峯”數據中去除宇宙背景輻射。

薩弗蒂則堅稱他的方法儘管此前沒有在X射線天文學中應用過，但在粒子物理領域，比如在大型強子對撞機中所進行的尋找暗物質的實驗中，已經證明了該方法的有效性。薩弗蒂說：“我們的觀點是，我們使用的數據分析方法更加穩健，它不會讓你先入爲主地認爲自己看到了一些實際上不存在的東西。”對於博亞爾斯基團隊的結果，薩弗蒂說：“我的猜測是，他們得到的結果只是統計波動或是系統誤差。”

然而，還是有很多科學家認爲X射線信號是我們瞭解暗物質的一種非常可行的方式。“我認爲，對於3.5 KeV線，我們需要新技術的輔助才能得到有意義的結論。”馬克斯·普朗克地外物理研究所的埃斯拉·布爾布利（Esra Bulbul）說。2014年，正是她和同事首次探測到了3.5 KeV線。日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）主導的XRISM項目將於2022年發射，屆時我們應該能知道這條譜線是否存在並符合暗物質的特點。“在那之前，我不會下結論否定這條譜線起源於暗物質的可能性。”布爾布利說。

暗物質湮滅

銀河系中另一個有可能指向暗物質的信號，是銀河系中心來源不明的伽馬射線——一些天文學家認爲這些射線源自暗物質的湮滅。在這個假說中，暗物質可以同時是物質及反物質。這樣，當兩個暗物質粒子相遇時，它們就會互相湮滅，並在此過程中形成伽馬射線。

2009年，費米伽馬射線太空望遠鏡首次發現了該信號，從那時起，科學家就對其起源爭論不休。儘管這些伽馬射線信號可以用暗物質模型來解釋，但還有一種更加平淡的解釋：它們可能只是由銀河系中心旋轉的中子星（也就是脈衝星）發出的。

韓國天文和空間研究所的萊恩·E·基利（Ryan E. Keeley）和科維理宇宙物理學與數學研究所的奧斯卡·馬西亞斯（Oscar Macias）在一項新研究中，分析了銀河系中心伽馬射線的空間分佈和能量。研究人員發現，相比於暗物質的解釋，這些射線更符合銀河系中心恆星、氣體及星系射線的分佈。“這樣一來，問題來了：留給暗物質的可能性還有多少？”加州大學爾灣分校的克沃爾科·阿巴扎吉安（Kevork Abazajian）說，他也是本篇論文作者之一。這篇論文已被提交至Physical Review D，並發表到了預印本網站。根據這篇論文的結論，伽馬射線來自於暗物質的可能性不大。“我們現在對暗物質湮滅持保留的態度。”

但同樣，對於這個結論，科學家還無法蓋棺定論。麻省理工學院的物理學家特蕾西·斯拉蒂耶（Tracey Slatyer）說：“這項分析的思路很棒，但它取決於我們目前對銀河系背景輻射的模型是否足夠準確。我擔心的是，如果模型不夠準確，這個結論也無法得出。”

最近幾年，一些研究發現銀河系中心那些過量的伽馬射線很可能是由單獨的“點光源”——比如脈衝星——發出來的。如果這些射線起源於暗物質，那我們應該能觀測到均勻分佈的輻射，這與實際觀測結果不一致。然而斯拉蒂耶和她的同事麗貝卡·利恩（Rebecca Leane）發現，一種系統誤差會導致結果偏向於脈衝星，而實際上脈衝星的可能性並不比暗物質更大。斯拉蒂耶說：“這不意味着點光源就一定是錯的，或是那些伽馬射線一定源自暗物質。但對於那些認爲伽馬射線來自點光源的研究，我們得小心看待。”

存在危機

最終，關於暗物質的爭論依舊存在。新研究說明了這些神祕信號可能並不是如我們所想的來自於暗物質，這是否意味着暗物質可能根本不存在？“不是，”阿巴扎吉安說，“暗物質粒子的理論與我們觀測到的現象是如此契合，從亞星系尺度到整個宇宙的邊緣。毫無疑問，暗物質是存在的。”

儘管絕大多數科學家對於暗物質存在的堅信無法動搖，但他們找到暗物質的希望又減少的一分。不僅是現有的天體物理學的證據難於捉摸，直接通過實驗來捕捉暗物質粒子的嘗試也未能取得進展。大型強子對撞機（LHC）中的研究，目前爲止還沒有成果。“我們在實驗室裏看不到，在LHC裏看不到，在太空中也看不到（暗物質粒子），”阿巴扎吉安感嘆道，“粒子物理學彷彿出現了一種存在性危機。”

而科學家捕捉暗物質粒子的失敗，使得暗物質的真實“身份”更加迷霧重重。之前最熱門的候選者，大質量弱相互作用粒子（WIMPs），由於在實驗中沒有出現——或者由於阿巴扎吉安論文中的計算結果，可能性下降了。“之前人們所認爲的很多暗物質候選者被排除了，”薩弗蒂說。“很多人以爲WIMPs幾乎一定存在。某種程度上講，這的確是一段艱難的時期。但換個角度想，這也是非常令人激動的。因爲現在我們都在集思廣益，回到最基礎的地方，來探討暗物質到底可能是什麼。”

翻譯：王語嫣

審校：吳非

原文鏈接：

https://www.scientificamerican.com/article/milky-way-dark-matter-signals-in-doubt-after-controversial-new-papers/