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两篇论文同时挑战暗物质真实身份,银河系中的“暗物质信号”是乌龙?

来源:环球科学
 
 
一些科学家认为,靠近银河系中心的“暗物质晕”,正是暗物质衰变留下的痕迹。图片来源:Christopher Dessert, Nicholas Rodd, Benjamin Safdi, Zosia Rostomian, Fermi Large Area Telescope
3.5 KeV线
2014年,天文学家在利用XMM牛顿望远镜观测英仙座星系团的放射光谱时,在能量3.5 千伏特(KeV)处看到一条明亮峰线,即所谓“X射线峰”。随后,在很多的星系和星系团(包括我们的近邻仙女座星系)中都观测到这样的信号。这个发现在当时非常振奋人心,因为一种暗物质候选粒子——惰性中微子——可以衰变为可见物质,并释放出和观测结果一致的辐射。
最近,密歇根大学的本杰明·萨弗蒂(Benjamin Safdi)与同事分析了XMM牛顿望远镜观测到的大量数据后,决定通过这种方式在银河系中寻找X射线峰。如果该辐射来源的确是暗物质衰变,那么在银河系的暗物质晕中,也应该能探测到这样的信号。
他们观测了银河系较为空旷的天区,寻找3.5 KeV 处的X射线峰。在近期的《科学》杂志上,他们公布了研究成果。经过大约一年的观测和曝光,“遗憾的是,我们什么都没看到,”萨弗蒂说,“根据我们的结果,‘3.5KeV X光辐射源于暗物质’这一假说成立的可能性大幅下降了。”
结案了吗?也并不是。很多天文学家对这项研究采用的方法提出了质疑,他们认为X射线峰还是很可能在银河系中存在,并依旧可以看做是暗物质存在的强力证据。“我对这篇论文的技术部分持保留态度,”迈阿密大学的尼科·卡佩卢蒂(Nico Cappelluti)说,“他们采用的技术并不标准,所以我认为由此得出的结论有些草率。”另一位物理学家,荷兰莱顿大学的阿列克谢·博亚尔斯基(Alexey Boyarsky)态度更加直接:“我认识的大部分专家都认为这篇论文的主要结论是错的,我看不出来他们如何从数据中得到这条不存在的结论。”
博亚尔斯基和团队也使用了XMM-Newton的数据来搜寻银河系的X射线峰,并在2018年12月发表了一篇预印本文章,宣称在银河系中探测到了X射线峰,且结果具有显著的统计学意义。博亚尔斯基认为,造成结论不同的原因是萨弗蒂团队分析的能量范围太窄,因此无法准确地从需要探测的“X射线峰”数据中去除宇宙背景辐射。
萨弗蒂则坚称他的方法尽管此前没有在X射线天文学中应用过,但在粒子物理领域,比如在大型强子对撞机中所进行的寻找暗物质的实验中,已经证明了该方法的有效性。萨弗蒂说:“我们的观点是,我们使用的数据分析方法更加稳健,它不会让你先入为主地认为自己看到了一些实际上不存在的东西。”对于博亚尔斯基团队的结果,萨弗蒂说:“我的猜测是,他们得到的结果只是统计波动或是系统误差。”
然而,还是有很多科学家认为X射线信号是我们了解暗物质的一种非常可行的方式。“我认为,对于3.5 KeV线,我们需要新技术的辅助才能得到有意义的结论。”马克斯·普朗克地外物理研究所的埃斯拉·布尔布利(Esra Bulbul)说。2014年,正是她和同事首次探测到了3.5 KeV线。日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)主导的XRISM项目将于2022年发射,届时我们应该能知道这条谱线是否存在并符合暗物质的特点。“在那之前,我不会下结论否定这条谱线起源于暗物质的可能性。”布尔布利说。
暗物质湮灭
银河系中另一个有可能指向暗物质的信号,是银河系中心来源不明的伽马射线——一些天文学家认为这些射线源自暗物质的湮灭。在这个假说中,暗物质可以同时是物质及反物质。这样,当两个暗物质粒子相遇时,它们就会互相湮灭,并在此过程中形成伽马射线。
2009年,费米伽马射线太空望远镜首次发现了该信号,从那时起,科学家就对其起源争论不休。尽管这些伽马射线信号可以用暗物质模型来解释,但还有一种更加平淡的解释:它们可能只是由银河系中心旋转的中子星(也就是脉冲星)发出的。
韩国天文和空间研究所的莱恩·E·基利(Ryan E. Keeley)和科维理宇宙物理学与数学研究所的奥斯卡·马西亚斯(Oscar Macias)在一项新研究中,分析了银河系中心伽马射线的空间分布和能量。研究人员发现,相比于暗物质的解释,这些射线更符合银河系中心恒星、气体及星系射线的分布。“这样一来,问题来了:留给暗物质的可能性还有多少?”加州大学尔湾分校的克沃尔科·阿巴扎吉安(Kevork Abazajian)说,他也是本篇论文作者之一。这篇论文已被提交至Physical Review D,并发表到了预印本网站。根据这篇论文的结论,伽马射线来自于暗物质的可能性不大。“我们现在对暗物质湮灭持保留的态度。”
但同样,对于这个结论,科学家还无法盖棺定论。麻省理工学院的物理学家特蕾西·斯拉蒂耶(Tracey Slatyer)说:“这项分析的思路很棒,但它取决于我们目前对银河系背景辐射的模型是否足够准确。我担心的是,如果模型不够准确,这个结论也无法得出。”
最近几年,一些研究发现银河系中心那些过量的伽马射线很可能是由单独的“点光源”——比如脉冲星——发出来的。如果这些射线起源于暗物质,那我们应该能观测到均匀分布的辐射,这与实际观测结果不一致。然而斯拉蒂耶和她的同事丽贝卡·利恩(Rebecca Leane)发现,一种系统误差会导致结果偏向于脉冲星,而实际上脉冲星的可能性并不比暗物质更大。斯拉蒂耶说:“这不意味着点光源就一定是错的,或是那些伽马射线一定源自暗物质。但对于那些认为伽马射线来自点光源的研究,我们得小心看待。”
存在危机
最终,关于暗物质的争论依旧存在。新研究说明了这些神秘信号可能并不是如我们所想的来自于暗物质,这是否意味着暗物质可能根本不存在?“不是,”阿巴扎吉安说,“暗物质粒子的理论与我们观测到的现象是如此契合,从亚星系尺度到整个宇宙的边缘。毫无疑问,暗物质是存在的。”
尽管绝大多数科学家对于暗物质存在的坚信无法动摇,但他们找到暗物质的希望又减少的一分。不仅是现有的天体物理学的证据难于捉摸,直接通过实验来捕捉暗物质粒子的尝试也未能取得进展。大型强子对撞机(LHC)中的研究,目前为止还没有成果。“我们在实验室里看不到,在LHC里看不到,在太空中也看不到(暗物质粒子),”阿巴扎吉安感叹道,“粒子物理学仿佛出现了一种存在性危机。”
而科学家捕捉暗物质粒子的失败,使得暗物质的真实“身份”更加迷雾重重。之前最热门的候选者,大质量弱相互作用粒子(WIMPs),由于在实验中没有出现——或者由于阿巴扎吉安论文中的计算结果,可能性下降了。“之前人们所认为的很多暗物质候选者被排除了,”萨弗蒂说。“很多人以为WIMPs几乎一定存在。某种程度上讲,这的确是一段艰难的时期。但换个角度想,这也是非常令人激动的。因为现在我们都在集思广益,回到最基础的地方,来探讨暗物质到底可能是什么。”
撰文:克拉拉·莫斯科维茨(Clara Moskowitz)
翻译:王语嫣
审校:吴非
文章来源:科学美国人
文章链接:https://www.scientificamerican.com/article/milky-way-dark-matter-signals-in-doubt-after-controversial-new-papers/

 
本文来自:环球科学
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