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暗物质终于被发现了吗?时间会告诉我们

这张伽马射线天空的照片是根据费米大面积望远镜(LAT)一年的观测结果构建的。蓝色包括银河系外的伽马射线背景。该地图显示了LAT从不同的天空方向探测到能量超过3亿电子伏特(约为可见光能量的1.2亿倍)的伽马射线的速率。颜色越亮,表示速率越高。

两位天体物理学家认为,他们终于找到了暗物质难以捉摸的特征,这一新发现如果得到证实,可能会改变游戏规则。

这种看不见的物质被认为构成了宇宙的大部分,但科学家们几乎不知道它是什么。他们只能通过测量暗物质对正常物质的引力来推断暗物质的存在。

现在,在筛选了对银河系中心的观测后,两名研究人员认为他们已经发现了暗物质粒子在强大爆炸中湮灭的证据。

伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室和芝加哥大学的Dan Hooper告诉太空网:“除了暗物质之外,我们所尝试的一切都无法适应观测的特征。”“总是很难确定没有什么是你没有想到的。但我已经和很多专家谈过了,到目前为止,我还没有听到任何合理的替代方案。”

Hooper与纽约大学的研究生Lisa Goodenough一起进行了分析。

暗物质破坏

暗物质的概念最早是在20世纪30年代提出的,当时星系和恒星的速度表明宇宙中的质量远远超过了所能看到的质量。暗物质不会反射光,因此望远镜无法直接观测到它

现在,科学家们计算出暗物质约占所有物质的80%,而规则原子只占20%。

费米伽马射线太空望远镜自2008年发射以来,一直在高能伽马射线中扫描天空,在银河系的最中心观察到了比预期更亮的伽马射线信号。Hooper和Goodenough测试了许多模型来解释是什么创造了这种光。他们最终得出结论,这一定是由暗物质颗粒引起的,这些暗物质颗粒堆积得如此密集,以至于它们相互破坏,并以光的形式释放能量。

物理学家们已经提出理论,暗物质粒子可能是它们自己的反物质伴侣,因此当两个暗物质粒子在适当的情况下相遇时,它们会相互摧毁。或者,暗物质粒子可能在银河系中心遇到反暗物质粒子。

不管怎样,研究人员认为银河系的伽马射线辉光是由暗物质爆炸引起的。

Hooper和Goodenough通过研究这种辐射的数据计算出,暗物质必须由称为WIMP(弱相互作用大质量粒子)的粒子组成,其质量在7.3到9.2 GeV(千兆电子伏特)之间,几乎是质子质量的九倍。他们还计算了一种称为横截面的特性,该特性描述了粒子与其他粒子相互作用的可能性。

了解这两个性质将代表我们对暗物质理解的巨大飞跃。

Hooper说:“这是自我们了解到暗物质存在以来,暗物质中发生的最大的事情。”“只要没有出乎意料的替代解释出现,我想是的,我们终于找到了。”

研究人员已经向《物理评论快报B》杂志提交了一篇描述他们发现的论文,但该论文尚未经过同行评审。

一些人仍然持怀疑态度

并不是每个人都准备好接受暗物质已经被发现的事实。

Hooper和Goodenough的分析基于费米天文台大面积望远镜向公众发布的数据。然而,由国际科学家组成的官方费米团队尚未完成对这种有趣的辉光的研究。虽然他们不排除这是暗物质的可能性,但团队成员还不准备排除另一种解释的可能性。

“我们觉得,必须进一步探索对银河系中心区域伽马射线信号的天体物理解释,”大面积望远镜合作的分析协调员、加州门洛帕克SLAC国家加速器实验室的工作物理学家Seth Digel说。“我不能也不会说他们所做的是错误的,但作为一项合作,我们对数据没有自己的最终理解。”

费米的科学家强调,对银河系中心的分析非常复杂,因为在这个拥挤的区域有很多明亮的伽马射线光源。被称为脉冲星的各种旋转恒星,以及超新星遗留下来的残留物,也会产生令人困惑的信号。

另一位SLAC科学家、费米科学团队成员Simona Murgia表示:“在这个方向上还需要做更多的工作,合作中的人们正在努力实现这一目标。在这之前,很难解释数据。”

充满希望的提示

胡珀同意此案尚未结案。

他说:“我希望很多专家认真思考,并努力让它消失。”“如果我们都同意我们不能,那么我们就会有答案。”

他说,他和Goodenough认为他们走在正确的轨道上的一个原因是,他们对暗物质粒子质量的计算与其他研究中的一些有希望的提示一致。

两项旨在探测暗物质的地面实验已经发现了质量大致相同的粒子的初步迹象。芝加哥大学的CoGeNT项目深埋在明尼苏达州东北部的苏丹铁矿,以及意大利在罗马郊外格兰萨索山脉附近的地下实验DAMA,都发现了无法完全归因于正常粒子的信号,但无法证明这些信号来自暗物质。

Hooper说:“这张照片之所以如此引人注目,部分原因与事实有关。”“我认为,这三个实验很可能都看到了相同的暗物质粒子。”

萨根标准

尽管如此,要让大多数天体物理学家相信这样一种光滑的物质终于被捕获,还需要做很多工作。

马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心的研究员Doug Finkbeiner说:“解释Dan和Lisa所看到的是一项复杂的任务。我觉得这没有说服力,但这并不意味着这是错误的。”

一些科学家说,我们可能终于接近解开暗物质之谜了。芝加哥大学卡夫利宇宙物理研究所所长迈克尔·特纳表示,在费米、地面实验和瑞士欧洲核子研究中心实验室最近启用的大型强子对撞机粒子加速器之间,科学家很可能在未来十年内确认暗物质的存在。

不过,就目前而言,他仍在等待。

特纳说:“这一结果非常有趣,但还没有达到萨根标准‘非同寻常的说法需要非同寻常的证据’。”他说,其他的解释将不得不取消。“大自然知道许多制造伽马射线的方法。”


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