在我们寻找暗物质的宇宙信号时，我们可能被比作醉汉在灯柱下寻找丢失的钥匙，因为那里光线最亮。“灯柱”是太空区域，那里充满了星系和星系团，这些星系和星系团被认为嵌入在密集的暗物质云或“晕”中。如果我们转而将目光投向宇宙空洞——广阔的、主要由空旷空间组成的天区，会怎么样呢？在一项新的预印本研究中，三位研究人员认为，虽然来自宇宙这些区域的暗物质总体信号会较弱，但它也较少受到天体物理源的污染，因此可能更容易被发现。
“这是一个新颖的想法，” 德国慕尼黑大学路德维希-马克西米利安大学的宇宙学家尼科·哈姆斯说，他没有参与这项研究。“而且不仅仅是想法，它还得到了一些有道理的计算的支持。”
暗物质被认为构成宇宙中超过 80% 的物质。这一估计主要基于这种神秘物质似乎对构成普通物质的气体、尘埃、恒星和星系施加的引力影响。例如，星系的自转速度如此之快，以至于如果没有暗物质的引力将它们聚集在一起，它们早就解体了。
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物理学家们最普遍的猜测是，暗物质是由所谓的弱相互作用重粒子（WIMP）构成的。但是，尽管数十年来人们一直在粒子加速器和埋在地下深处极其灵敏的探测器中寻找 WIMP，以最大限度地减少来自宇宙射线和其他来源的虚假信号，但 WIMP 的直接证据一直难以捉摸。尽管如此，意大利都灵大学的研究合著者尼科劳·福伦戈说，WIMP 仍然是暗物质的首选候选者。
根据几乎所有基于 WIMP 的模型，如果这些粒子如预期的那样是重粒子——例如，在几个千兆电子伏特 (GeV) 到几个太电子伏特 (TeV) 之间（其中 1 GeV 约等于一个质子的质量）——那么它们最终应该会衰变或相互碰撞并湮灭，这两种情况都会产生伽马射线。“如果暗物质产生[伽马射线]，信号应该就在那里，” 福伦戈说。
目前的伽马射线天文台，特别是 NASA 的费米任务及其大面积望远镜 (LAT)，探测到弥漫性的全天“背景”伽马射线。一旦减去所有已知天体物理源（例如脉冲星和吞噬物质的超大质量黑洞）的贡献，这种背景就是剩余的无法解释的超额部分。并且它在天空中分布不均匀——这与天体物理学家对暗物质发射以及即使是最好的费米 LAT 也无法分辨的天体物理源的预期相符。就暗物质而言，衰变和湮灭 WIMP 的伽马射线辉光应与大规模宇宙结构相关联，从物质密集的区域发出更亮的光芒，从空洞发出较暗的光芒。早期研究表明这种相关性存在，但到目前为止，此类研究大多避开了空洞，而是专注于充满星系和星系团的更明亮区域。
为了了解与过度密集区域相比，是否可以更好地从空洞中提取这种信号，该团队模拟了它应该如何从这两种类型的宇宙结构中发出。他们的结果表明，虽然来自空洞内暗物质和普通物质的组合伽马射线辐射将比来自过度密集区域的辐射弱得多，但这种弱点实际上赋予了一个优势：相对缺乏普通物质确保了更少的天体物理源，否则这些天体物理源会掩盖暗物质的伽马射线辐射。“这是在测量更强但污染更严重的信号与测量更弱但更干净的信号之间进行权衡，” 福伦戈说。他和他的同事的研究已提交给Journal of Cosmology and Astroparticle Physics。
该团队还发现——这在某种程度上并不令人意外——来自这些空洞中暗物质的大部分伽马射线应该通过粒子的衰变而不是湮灭产生。为了使两个粒子湮灭，它们必须首先碰撞，而 WIMP 在宇宙空洞中相互找到彼此的几率很低。但是粒子应该衰变，而与它们的分布密度无关。“衰变只是探测[体积]空间内的整个质量，” 福伦戈说。“而空洞的质量不是一个小数字。它仍然是一个很大的物体。只是密度较低。”
哈姆斯说，由于其卓越的信噪比以及对探测来自衰变粒子的伽马射线的偏好，该技术可能为暗物质的性质提供新的见解，而仅通过对过度密集区域的伽马射线研究是无法获得的。例如，暗物质粒子的平均寿命越长，在给定的空间和时间内应该发生的衰变就越少。虽然如此微弱的信号通常是无法检测到的，但在空洞中情况就不一样了。“因为你的信号背景[噪声]比较高，所以你可以在参数空间的探索中走得更远，” 他说。
纽约大学的天体物理学家安东尼·普伦与这项研究无关，他对近期对其核心思想的检验持谨慎乐观态度。多项大规模宇宙结构调查计划于本十年晚些时候在下一代设施上启动，例如欧洲航天局 (ESA) 的欧几里得空间望远镜、NASA 的南希·格蕾丝·罗曼空间望远镜和地面维拉·C·鲁宾天文台。“随着这些调查上线，你将拥有这些非常大的数据集。我们能够探测到的星系越多，我们就越能实际绘制出空洞的位置，” 普伦说。“这将有助于此类研究。在未来几年内，你可能会看到类似这样的概念验证。”
福伦戈和他的同事表示，今天，这样的概念验证将不得不依赖费米 LAT 收集的伽马射线数据——但这无法胜任这项任务。他们计算得出，要做出明确的探测，就需要新一代伽马射线仪器，其探测器体积是费米 LAT 的两倍，角分辨率（区分天空中不同来源的能力）是费米 LAT 的五倍。“如果能有一个‘新费米’，那将是一个伟大的进步，” 福伦戈说，尽管他承认，就目前而言，这种探测器只存在于他们的梦想中。但这并没有阻止该团队给它起一个恰如其分的意大利昵称：Fermissimo。