我们知道它在那里，但我们不知道它是什么：这种看不见的东西就是暗物质。科学家们相当肯定它主宰着宇宙，但其成分尚不清楚。一段时间以来，天体物理学家们一直对太空中暗物质的两个潜在信号感到兴奋：银河系中心不明原因的伽马射线光超量，以及在其他星系和星系团中发现的神秘X射线光峰值。这些信号被解释为暗物质分别湮灭自身和衰变为不同粒子的可能证据，但两篇新的论文似乎给这两种希望都泼了冷水。一些人说，现在是时候寻找暗物质的其他途径了。然而，另一些研究人员坚持认为，这些信号中的任何一个仍然可能是答案。
X射线峰值，被视为在3500电子伏特（3.5 KeV）能量下的明亮发射线，最早于2014年被发现，现在已在许多星系团以及我们的邻近星系仙女座星系中被识别出来。这里的兴奋源于一个事实，即一种有希望的暗物质候选者，一种被称为惰性中微子的粒子，预计会自然衰变为普通物质，并产生这种类型的发射线。最近，密歇根大学的本杰明·萨夫迪和他的同事决定通过分析来自X射线多镜面任务（XMM-牛顿）望远镜的大量数据，在我们自己的星系中寻找这条线。该团队拍摄了为其他目的收集的各种物体的图像，并将它们遮挡住，以便在侧面的黑暗“空旷空间”中寻找3.5-KeV的光。在积累了相当于大约一年的总曝光时间后，研究人员没有看到峰值的迹象。他们的发现今天发表在《科学》杂志上。“不幸的是，我们什么也没看到，”萨夫迪说，“结果是，这条线的暗物质解释被排除在许多数量级之外。”
盖棺定论了吗？不完全是。许多X射线天文学家对研究人员的方法提出异议，并表示这种特征很可能存在于我们的星系中，并且仍然是暗物质的有力竞争者。“我对论文的技术部分有一些保留意见，”迈阿密大学的尼科·卡佩卢蒂说。“他们使用的技术不是标准的。所以我认为他们得出的结论有点仓促。” 荷兰莱顿大学的另一位物理学家阿列克谢·博亚尔斯基更直言不讳。“我认识的大多数专家都认为这篇论文的主要结果是错误的，”他说。“我不明白他们怎么能声称这条线不存在于这些数据中。”
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博亚尔斯基和他的合作者也检查了XMM-牛顿的X射线线数据，并在2018年12月发布了一篇预印本论文，声称他们在银河系中以很强的统计显著性检测到了这条线。他说，不同之处在于，萨夫迪的团队分析的能量范围太窄，因此无法准确地将望远镜所有数据中固有的背景辐射与所讨论的峰值分离开来。萨夫迪反驳说，他的分析技术虽然对X射线天文学来说是新的，但在粒子物理学研究中已经证明了自己，包括在日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上寻找暗物质。“每次你将一个新的分析框架引入一个领域时，都会有很多关于其优点的讨论。你遗漏了什么吗？”他说。“我们的观点是，这是一种更稳健的数据分析方法，这使得你不太可能自欺欺人地看到一些实际上不存在的东西。” 对于博亚尔斯基和他的同事们的结果，萨夫迪说，“我最好的猜测是，他们在分析中看到的是统计波动或系统性问题。”
尽管如此，许多科学家表示，X射线信号仍然是通往暗物质的有希望的途径。“我认为，对于3.5-KeV线，要说出有意义的东西，我们需要新技术，”德国加兴马克斯·普朗克地外物理研究所的埃斯拉·布尔布尔说，她与她的同事于2014年首次在珀尔修斯星系团中探测到这条线。由日本宇宙航空研究开发机构领导并计划于2022年发射的X射线成像和光谱任务（XRISM）应该提供明确的证据，证明该信号是否存在，以及是否与暗物质的预期特征相符。“在那之前，我不会相信这条线的暗物质起源已被排除，”布尔布尔说。
暗物质的毁灭
另一个与黑暗面相关的潜在联系，即我们星系中心不明原因的伽马射线光，暗示的不是暗物质衰变，而是毁灭。在这种情况下，这种神秘物质可能既是物质又是反物质。因此，当两个暗物质粒子相遇时，它们可能会相互湮灭，从而产生伽马射线。伽马射线信号最初于2009年在来自费米伽马射线太空望远镜的数据中被发现，科学家们一直在争论其来源。尽管这种光符合暗物质模型，但它可能更平凡，可能是由银河系中心许多被称为脉冲星的自旋中子星产生的。
韩国天文与空间科学研究院的瑞安·E·基利和东京大学卡弗里宇宙物理与数学研究所的奥斯卡·马西亚斯领导的一项新研究，从空间分布和能量方面密切分析了伽马射线的模式。研究人员发现，这种光与来自我们星系中心“隆起”的规则恒星、气体和银河系发射的形状比暗能量副产品的行为模型更匹配。“这样一来，由于我们有了更好的拟合，问题是：暗物质还剩下多少空间？”加州大学欧文分校的凯沃克·阿巴扎吉安说，他为这篇论文做出了贡献，该论文已提交给《物理评论D》，并发布在预印本服务器arXiv.org上。他们发现的答案是不多。“我们对暗物质湮灭施加了迄今为止最强的限制。”
不过，科学家们也不准备就此罢休。“这篇论文确实提出了一些新的有趣的证据，应该加以考虑，”卡佩卢蒂说。“这是另一项非常复杂的测量。这绝对是我们不应该放弃的东西，我们应该继续调查。” 麻省理工学院的物理学家特蕾西·斯拉特耶表示赞同。“这是一个非常好的分析，但这取决于我们拥有的星系背景和信号模型是否足够好，”她说。“我确实担心这些模型可能不足以得出这些结论。”
近年来，其他研究发现，银河系过量的伽马射线似乎更可能来自单独的“点光源”——例如脉冲星可能产生的光源——而不是来自平滑分布的发射——就像暗物质会产生的那样。然而，斯拉特耶和她的麻省理工学院同事丽贝卡·莱恩发现，一种系统效应可能会使这些搜索偏向于这个答案，并且脉冲星不一定比暗物质更受青睐。“这种效应可以伪造对先前分析发现的那种明亮点光源的强烈偏好，”斯拉特耶说。“这并不意味着过量中不能有任何点光源，也不意味着过量是暗物质。但我们应该对任何先前说过它必须是点光源的分析持谨慎态度。”
存在危机
最终，科学家们对宇宙中85%质量的极其奇怪的行为感到困惑。否定我们星系中所谓暗物质信号的新研究是否让他们怀疑暗物质的存在？“不，”阿巴扎吉安说，“粒子暗物质与从亚星系尺度到宇宙视界所观察到的现象非常一致，基本上是毫无疑问地存在的。”
即使科学家们对暗物质存在的信念没有动摇，他们找到暗物质的希望可能已经减少。不仅天体物理学证据难以捉摸，而且旨在捕获负责粒子的直接探测实验迄今为止也失败了。大型强子对撞机的搜索也一无所获。“我们在实验室里看不到它们，我们在大型强子对撞机里看不到它们，我们在天空中也看不到它们，”阿巴扎吉安抱怨道。“粒子物理学中存在一种存在危机。”
科学家们无法找到暗物质，这使得它的真实身份比以往任何时候都更加不确定。曾经领先的暗物质候选者，弱相互作用大质量粒子（WIMP），实际上已被它们在直接探测实验中未能出现——以及可能被阿巴扎吉安的论文计算出的新限制——排除。“许多人认为暗物质会是什么样的标准模型已被排除在外，”萨夫迪说。“很多人认为WIMP几乎肯定会存在。从某种意义上说，这是一个令人沮丧的时期。但在另一种意义上，这非常令人兴奋，因为这意味着我们都在集思广益，回归基础，思考暗物质可能是什么。”