路透社:科學家距離證實暗物質的存在更近一步

路透社:科學家距離證實暗物質的存在更近一步

　　路透社10月17日報道，一個由伽馬射線構成的神秘光暈正在銀河系中心彌散，這可能成為物理學界幾十年來最重要的發現之一。費米伽馬射線太空望遠鏡觀測到的這一異常信號，正迫使科學家在兩種截然不同的宇宙學解釋之間做出選擇：要麼是暗物質粒子碰撞的直接證據，要麼是一類特殊中子星的集體輻射。無論結果如何，這場爭論都將重塑我們對宇宙構成的基本認知。

　　引力效應與缺失的質量

　　當代宇宙學面臨的最大困境在於：我們能夠看到的一切物質僅占宇宙總質量能量的百分之五。從恆星、行星到人類自身，所有可見物質在紅外、可見光和伽馬射線波段都有跡可循，但它們在宇宙能量預算中微不足道。暗物質被認為佔據約百分之二十七的份額，而更加神秘的暗能量則構成剩餘的百分之六十八。

　　這一認知框架並非憑空想象。暗物質的存在性建立在多重獨立觀測證據之上：星系旋轉曲線顯示外圍恆星的運動速度遠超牛頓引力理論的預測值；引力透鏡效應顯示星系團的總質量遠大於其發光物質；宇宙微波背景輻射的細微溫度起伏揭示了早期宇宙中暗物質如何充當結構形成的"引力腳手架"。美國國家航空航天局的觀測表明，暗物質以網狀結構貫穿整個宇宙，塑造著大尺度宇宙結構的演化路徑。

　　然而，暗物質從未在實驗室中被直接探測到。它不吸收、不反射、也不發射任何形式的電磁輻射，這使得確認其粒子本質成為當代物理學最棘手的挑戰之一。多個地下探測器項目——如義大利格蘭薩索山

　　XENONnT實驗、LZ暗物質探測器——投入數十年尋找弱相互作用大質量粒子，但迄今未獲得決定性證據。LZ實驗的最新結果將敏感度提升了近五倍,但仍未在質量超過9 GeV的範圍內發現WIMP信號。這種持續的零結果促使部分研究者轉向質量更輕的"隱藏部門"候選粒子。

　　銀河系中心的輻射難題

　　費米望遠鏡在銀河系中心探測到的伽馬射線過量——被稱為"銀河中心GeV超出"——為間接探測暗物質提供了新途徑。這一球狀分佈的高能輻射信號強度超出了已知天體物理源的預期,其空間分佈模式與理論預測的暗物質暈結構高度吻合。如果這些伽馬射線確實來自暗物質粒子湮滅,那將成為暗物質存在的首個直接光學證據。

　　理論物理學家長期預測,當兩個暗物質粒子相遇時會發生湮滅反應,轉化為高能光子。湮滅率與暗物質密度的平方成正比,也依賴於粒子的相對速度和湮滅截面。在銀河系中心這樣的高密度區域,暗物質粒子的數密度可能比太陽系附近高出數個數量級,使得湮滅信號足夠強烈到能被空間望遠鏡探測。約翰·霍普金斯大學的研究者指出,暗物質粒子碰撞時釋放的伽馬射線閃光可能正是觀測到的過量輻射的來源。

　　但替代性解釋同樣令人信服。毫秒脈衝星是快速自轉的中子星——恆星死亡后的緻密核心殘骸——其自轉周期短至毫秒量級,能夠在整個電磁波譜上發射輻射。澳大利亞國立大學和東京大學卡夫利宇宙物理與數學研究所的獨立研究表明,銀河系中心可能聚集著大量這類天體,它們的集體伽馬射線輻射足以解釋觀測到的信號。毫秒脈衝星通常在雙星系統中通過吸積物質獲得角動量,在球狀星團等高密度恆星環境中尤為常見。費米望遠鏡已在銀河系球狀星團中確認了數十個毫秒脈衝星的伽馬射線輻射。

　　兩種假說的較量集中在信號的精細結構上。暗物質湮滅應產生平滑的球對稱分佈,其強度隨距銀心距離按特定冪律衰減;而毫秒脈衝星是離散點源,即使無法單獨分辨,其統計分佈也應留下特徵性痕迹。然而,關鍵的困難在於銀河系中心本身的複雜性:密集的恆星場、活躍的恆星形成區、超大質量黑洞的輻射——所有這些都為信號分析增添了不確定性。正如一項關於毫秒脈衝星踢速度的研究指出,脈衝星在形成時可能獲得高速運動,導致它們的空間分佈偏離預期,這為暗物質解釋提供了支持空間。

　　實驗物理的多重戰線

　　解決這一爭議需要多種互補的觀測策略。一方面,下一代伽馬射線望遠鏡如果能提高角解析度,可能直接分辨出單個毫秒脈衝星,從而檢驗脈衝星假說;另一方面,如果伽馬射線信號確實來自暗物質湮滅,那麼在其他暗物質密度高的區域——如矮橢球星系——也應觀測到類似的過量信號。矮橢球星系因暗物質主導、恆星形成活動稀少而成為理想的"凈"觀測目標,其伽馬射線數據已被用於限制WIMP湮滅截面的上限。

　　地面直接探測實驗同樣在推進邊界。雖然WIMP搜索遭遇瓶頸,但液氙探測器技術的進步使得科學家能夠探測更低質量的暗物質候選粒子。加州大學聖巴巴拉分校參與的實驗證實,先進的外圍探測器可有效排除中子本底干擾,提高對WIMP信號的識別置信度。即便這些實驗持續給出零結果,它們也在縮小理論參數空間,迫使理論物理學家修正或放棄某些暗物質模型。

　　與此同時,宇宙學觀測從大尺度結構演化的角度約束暗物質性質。普朗克衛星對宇宙微波背景的精密測量、斯隆數字巡天等項目對星系成團性的統計分析,以及引力透鏡效應的系統研究,都指向一致的暗物質丰度和冷暗物質行為特徵。這些獨立證據的匯聚增強了暗物質範式的可信度,即便其微觀本質依然未知。

　　不確定性中的科學進展

　　銀河系中心伽馬射線過量問題已困擾天文學界超過十年,但爭論本身推動了多個領域的技術進步和理論深化。無論最終結論倒向哪一方,科學界都將獲得重要洞見:如果證實暗物質湮滅,那將開啟粒子物理學的新紀元,揭示超越標準模型的新物理;如果歸因於毫秒脈衝星,則將極大豐富我們對中子星種群、雙星演化和銀河系恆星歷史的理解。

　　當前的研究態勢顯示,答案可能比簡單的二選一更為微妙。不排除兩種機制都在發揮作用,或者存在尚未考慮的第三類源。科學方法的核心在於在不確定性中保持嚴謹:每一個新觀測都收緊約束條件,每一次理論修正都接受實驗檢驗。正如地下探測器不斷提高靈敏度、空間望遠鏡持續積累數據,暗物質的真面目終將在證據的積累中顯現——或者,人類將不得不徹底重新審視關於宇宙構成的基本假設。

　　這場關於伽馬射線來源的辯論,實質上是關於宇宙本質的更深層次追問。在可觀測宇宙的能量預算中,人類所熟悉的物質只是滄海一粟。理解那看不見的百分之九十五,不僅關乎理論物理的完備性,更觸及人類在宇宙中位置的哲學反思。銀河系中心那團神秘的輝光,可能正是通向答案的第一道曙光。