银河系神秘光束或可解开暗物质之谜

2013-11-25 admin1 61

  科学家近日表示,银河系中央某种类型的伽马射线光有趣的暗示可能是隐匿的暗物质的结果——或者并不是。在过去的几年里,科学家一直都在争论这束光是否真实存在,以及它所代表的意义。目前研究人员请求观测到这束射线光的美国宇航局费米伽马射线太空望远镜的管理小组改变观测策略,以确定这束信号是否真实存在。

  然而,即便从银河系中央真的放射出额外的伽马射线光子,科学家仍无法得知这些光子是否是由暗物质产生的。

  理论认为某种既不能看到又不能接触到的暗物质神秘形式在宇宙里其实是非常普遍的,这使得它的存在只能通过它的引力拖拽效应感知。目前有关暗物质最流行的理论认为暗物质是由某种新型的基本粒子组成,名为弱相互作用大质量粒子(WIMP)。

  美国宇航局费米伽马射线太空望远镜两年的观测建造的这张全天图像显示了天空在伽马射线光下的情景。明亮的颜色暗示着明亮的伽马射线源。天空布满了散射的光芒,并且在我们银河系平面(中间)是最明亮的。离散的伽马射线源包括银河系以及超大质量黑洞驱动的遥远星系内的脉冲星和超新星残余。

  湮灭WIMPs

  由于WIMPs被认为是自己的反粒子(反物质是正常物质的镜像版,两者相遇时会相互湮灭),如果两颗WIMPs相碰撞,它们将会立即毁灭。这些爆炸,在暗物质最密集的银河系中央应该是最常见的,它们很可能会产生新的粒子从而产生一种精确能量的伽马射线光子。这些光就是费米太空望远镜所观测到的。

  “这非常模糊不清——它可能是统计的侥幸,也可能是系统性效应或者它的确是真实的信号,”荷兰阿姆斯特丹大学的天体物理学家克里斯多夫·韦尼格(Christoph Weniger)这样说道。“目前,发现的信号都有这三种可能。”

  韦尼格是近期发表的指出费米太空望远镜花费太多时间在银河系中央寻找这些特征的白皮书的主要作者。这篇文章是为了响应费米太空望远镜项目科学家、美国马里兰州美国宇航局戈达德航天中心的天体物理学家朱莉·麦克恩奈利(Julie McEnery)的号召,旨在呼吁寻找费米太空望远镜观测的其它策略。

  新策略

  费米太空望远镜于2008年6月发射,自那时起就一直在观察整个天空。尽管它的科研目标之一是更多的了解暗物质,但这一天文台被用于很多领域的科研,包括名为脉冲星的旋转恒星,其它星系里的发光超大质量黑洞,两者都会释放出伽马射线光。

  韦尼格的提案建议费米太空望远镜在银河系中央可见的时候观测它,这将增加它收集该太空区域的数据的速率。然而,这一提案的本意并非是从其它项目转移太多时间至此。

  “我们非常担心这将对其他人的科研项目产生消极的影响,”哈佛大学的天体物理学家、白皮书的合作作者道格·芬克柏那(Doug Finkbeiner)这样说道。“我们正尽力为项目做正确的事。”

  费米太空望远镜已经接受资助将持续运行到至少2016年,潜在的给予了足够的时间解决星系中央神秘光的问题。“我认为如果我们立即开始一项新的观测策略,我们可能在2015年就能获得这一疑问的解答。” 芬克柏那说道。

  更多数据

  随着获取更多星系中央的有关数据,科学家希望能够确定费米太空望远镜发现的暗示,也即在特殊的能量范围内——130千兆电子伏——是否真的存在伽马射线光的过量。

  很可能这些暗示只是统计波动,随着更多数据的获得,这些射线光过量可能会消失。还有一种可能便是,费米的数据的确显示出这些光子的过量存在,但这是因为仪器设备里的人工制品所致——也即是系统错误。

  “我们准备进行一系列有关设备可能出错的假设,所有的假设都大致相似,” 芬克柏那说道。“在那里发生了某些不太可能的事,要不是非常不可能的统计波动,或者是仪器的某种问题导致它以某种不太可能的方式隐蔽自己,又或者我们的确发现了130千兆电子伏的光子。这些假设其实都不太可能发生,但其中一种假设的确发生了。”

  “我认为,最重要的问题是排除一种可能性,也即数据里的线状特征可能有助于起源问题,” 美国加州大学尔湾分校的天体物理学家、费米星系中央分析合作小组的成员西蒙娜·穆吉亚(Simona Murgia)这样说道。“改变过的观测获得的额外数据能够帮助我们更好的理解这一问题。”

  然而,费米数据中发现的第二种明显不相关的潜在暗示暗物质的可能性使得这一问题更加复杂。除了130千兆电子伏的光子,科学家还观测到2-3千兆伏范围内低能量伽马射线的过度剩余。虽然这个信号非常强足以排除统计波动的概率,但它也可能是由规则性的天体物理学来源引起的,例如脉冲星。

  但是如果130千兆电子伏的信号持续存在,且不能归结于是系统错误的问题,那么天文学家可能发现了暗物质存在的第一批证据,他们将能够观察研究暗物质是由什么组成的。

  “如果这是一条真实存在的光线,那么它将是暗物质的‘烟枪’。”美国加州大学尔湾分校的天体物理学家克沃尔基·阿巴扎居安(Kevork Abazajian)这样说道,他正在研究低能量2-3千兆电子伏的费米伽马射线信号。提出的观测策略可能并不会提供太多有关它的特征的新见解,但它将帮助解开高能量信号,阿巴扎居安说道。

  “这是一项非常引人注目的研究例子,” 美国伊利诺州巴达维亚费米实验室的理论天体物理学家、来自芝加哥大学的丹·霍普(Dan Hooper)这样说道,霍普也负责研究低能量伽马射线信号。“如果能够在天空的这个方向获得更多的数据,那么就太好了,他们的提案策略里的消极方面非常小,几乎可以忽略不计。”霍普表示他对韦尼格和他的研究小组所跟踪的信号是否是暗物质表示非常怀疑,但更多的数据或可能帮忙解开这一疑惑。

  暗物质搜寻

  其他项目目前也在以不同的方式追踪暗物质的存在。国际空间站外部依附的粒子探测器阿尔法磁谱仪(AMS)也在寻找太空中暗物质湮灭爆炸的信号。四月份宣布的实验获得的第一批数据暗示这可能是由暗物质引起的,但这些仅仅是初步发现。但如果最终的结果仍指向暗物质,那么它将显示出与费米结果不同的WIMP的质量,也即这两项结果并非一定是互补的。

  其它寻找暗物质的实验则相对更加直接,关注于暗物质与普通物质发生碰撞的时刻,虽然这一时刻非常罕见。这样的探测器——包括位于意大利的XENON 暗物质项目,位于美国南达科塔的大型地下氙探测器实验(LUX)以及位于美国明尼苏达州苏丹矿山里的低温暗物质搜寻计划(Cryogenic Dark Matter Search,简称SuperCDMS)——它深埋地下只有暗物质能够到达。目前还没有任何实验发现了任何确定性的结果。

  最新的费米实验提案研究小组认为很可能费米太空望远镜观测到的并不是暗物质——但他们希望能确定的证实这一点。“我认为每个人心里都多少存在希望,但是作为科学家,你必须获得真相,” 芬克柏那说道。“如果真相是存在130千兆电子伏的WIMP,那么这将非常了不起,我们将对物理学有着新的理解。但如果事实并非如此,那么我们就知道是时候继续新研究了,至少没有留下任何微弱的可能性。”

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