排放不可能?:暗物质是银河系中心朦胧辐射的幕后推手吗?

一些未知的天体物理过程,可能与暗物质有关,可能正在发挥作用


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银河系中心出现的辐射雾霾,在两个航天器在两种不同波长下拍摄的天空图中都能看到,根据一项对银河系伽马射线的新分析,这可能是由高能电子群造成的。 奇怪的是,一些研究人员认为,这些电子不容易用已知的天体物理过程来解释——目前正在进行研究,以确定暗物质粒子是否可能是罪魁祸首。

暗物质是一种假设的物质,它弥漫在宇宙中,但不会以我们可以感知的方式与光相互作用。 目前的估计认为暗物质大约是普通物质的五倍——普通物质是指构成我们熟悉的物理世界的原子和分子。 迄今为止,暗物质仅通过其引力效应被间接观察到,但其真实性质仍然是个谜。

一篇于 10 月 26 日发布在物理学预印本网站 arXiv.org 上并提交给 Astrophysical Journal的文章指出,银河系中可能存在暗物质的迹象,尽管该研究的作者谨慎地保持其观测的经验性,并将此类推测暂时搁置。

2003 年,哈佛-史密森天体物理中心的 天文学家道格拉斯·芬克贝纳 (Douglas Finkbeiner) 在 NASA 的威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP) 收集的微波数据中注意到银河系中心方向存在弥漫性雾霾。芬克贝纳解释说,星际介质中产生微波的过程只有少数几个,当他从 WMAP 数据中减去这些过程的模板时,一些奇怪的现象仍然存在。“如果我们的微波产生模型是正确的,那么我们应该剩下随机噪声,”芬克贝纳说。“相反,我们看到一种模式,即银河系内部微波过量。”

他和他的同事认为,这些微波是同步加速辐射:由银河系磁场加速的电子发射的光子。但是,电子的能谱不容易用银河系内部的传统来源来解释——例如,来自超新星爆炸的电子。 因此,一种流行的暗物质模型似乎更符合要求,在该模型中,暗物质粒子会在接触时相互湮灭,并爆发可观测的粒子,包括电子。

芬克贝纳和他的同事预测,被怀疑是 WMAP 雾霾前身的高能电子应该在伽马射线区域产生类似的雾霾。加州大学圣巴巴拉分校卡弗里理论物理研究所的博士后研究员、新的 arXiv 研究的主要作者格雷戈里·多布勒 (Gregory Dobler) 说:“我们预计,那些围绕银河系磁场螺旋运动的电子偶尔会撞击来自恒星或类似物体的光子。” 多布勒指出,这些电子可以将光学或红外光子撞击到伽马射线能量,在那里它们可以被 NASA 的费米伽马射线太空望远镜探测到。

当费米的第一年数据在 8 月份公开时,多布勒、芬克贝纳及其同事着手查明银河系的伽马射线图是否确实具有类似于 WMAP 在微波中看到的雾霾。 果不其然,确实如此。“我最初认为,要剥离所有其他类型的在银河系中产生伽马射线的东西会很困难,但我有点震惊,”多布勒说。“它几乎直接跳到你眼前。”

在新的论文中,多布勒及其同事描述了费米伽马射线雾霾,并声称它证实了 WMAP 微波雾霾的同步加速器起源。 与微波雾霾一样,作者认为,造成伽马射线雾霾的电子似乎起源于未知的 天体物理过程。

肖恩·卡罗尔,加州理工学院的一位理论物理学家,他没有参与这项雾霾研究,他称天体物理学的主张,即费米和 WMAP 探测到的雾霾指向银河系内部盘旋的高能电子群 “非常合理”。 他补充说,如果这一说法属实,“那么问题是,‘这些电子从哪里来?’ 而一个非常合理的来源可能是暗物质粒子衰变或相互湮灭,并产生粒子喷雾。”

芬克贝纳指出,他和他的同事在新论文中没有推测雾霾形成电子的潜在暗物质来源。 但他和多布勒都承认正在朝着这个方向前进。“我们绝对正在暗物质物理学的背景下探索费米雾霾,”多布勒说。

但是,伽马射线和微波雾霾的意义可能仍然面临挑战,即雾霾本身是否像它们看起来那样重要。“每个人都认识到,观察所有这些来自银河系中心的混乱辐射,并真正说我们已经去除了所有我们理解的东西,而剩下一些我们不理解的东西,这是一件非常棘手的事情,”卡罗尔指出。

的确,一些研究人员尚未确信这些雾霾代表任何不同寻常的事物。 约翰·霍普金斯大学的天体物理学家查尔斯·贝内特是 WMAP 任务的首席研究员,他说他的团队并没有将雾霾视为来自银河系中心的过量辐射,而是将其视为同步加速器辐射自然天体物理变化的一部分。 他指出最近一篇论文试图通过传统的天体物理机制来解释电子,包括不需要暗物质影响的大型超新星。 “到目前为止,观测结果可以用两种方式解释,”贝内特说,并指出需要相互对照检查每种模型的预测。“与此同时,没有特别的证据表明人们可能认为更奇特的解释——暗物质衰变——是正确的。”

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