银河系中央的奇异闪光 脉冲星还是暗物质？

银河系中央的过量闪光。研究人员认为这个信号可能暗示了假设中存在的暗物质粒子。不过，这种奇异现象可能还有其它源头

提到银河系中央的奇异闪光，麻省理工学院的理论物理学家丽贝卡•林尼表示：“我们在数据中发现了我们无法理解的现象。”对于这种高能光线的能量来源，天体物理学家陷入困惑之中。林尼说：“我们的伽马射线知识无法解释这种现象。如果暗物质存在的话，这种奇异现象也许隐藏着暗物质信号。”

Daily Galaxy网站2018年3月报道称，根据马克斯·普朗克引力物理研究所和马克斯·普朗克射电天文学研究所的预测，银河系中央的过量高能伽马辐射闪光可能由隐藏的数千颗毫秒脉冲星导致。只有少数毫秒脉冲星能够借助当前的大型射电望远镜进行观测。通过搜索伽马射线，科学家发现毫秒脉冲星的可能性更大。

脉冲星Geminga及其高能粒子云的艺术概念图

研究人员在预印本平台arXiv发表论文称，银河系中央的神秘闪光由脉冲星导致。在对这一理论进行进一步研究后，科学家发现了另一种可能性——暗物质才是神秘闪光的源头。在借助天基观测仪器对银河系中央闪光进行研究时，科学家可能发现了据信遍布宇宙的暗物质的第一个直接证据。

2009年，这个问题第一次浮出水面，当时芝加哥大学天体物理学家丹·胡珀注意到美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜捕获了大量高能光子，也就是伽马射线。胡珀认为这种异常现象来自于银河系中央的暗物质粒子。虽然暗物质不发光，也不与已知粒子发生交互，但暗物质粒子对撞时会发生湮灭，产生我们熟悉的物质和反物质雨，随后释放出伽马射线。对这些伽马射线进行观测能够获取暗物质的相关证据。

费米伽马射线太空望远镜

但根据之前的理论，这种闪光由未发现的“宇宙灯塔”——毫秒脉冲星提供能量。毫秒脉冲星是磁化中子星，每秒旋转1000周，让银河系中央沐浴在过量伽马射线中。2015年公布的两项研究对费米望远镜的观测数据进行了分析，证明存在多颗毫秒脉冲星。如果暗物质是原因所在，费米所获图像的所有像素应该更均匀，但事实并非如此。也就是说，暗物质假设可能不成立。

不过，根据林尼和麻省理工学院理论物理学家、2015年脉冲星研究论文合著者特雷西·斯莱特尔的研究，此前的研究将银河系中央的暗物质“误读”为脉冲星。林尼和斯莱特尔强调，他们的研究结果并不含有暗物质的新证据，但削弱了银河系中央伽马射线闪光的其它解释。斯德哥尔摩大学物理学家马丁·维克勒表示：“这项研究略微提高了暗物质假设的可信度。”

阿尔法磁谱仪安装到国际空间站上

最近对国际空间站阿尔法磁谱仪（以下简称AMS）观测数据进行的分析表明，AMS探测到数量超出预计的反质子，可能是暗物质对撞的另一个残余。产生AMS数据所需的暗物质粒子与产生银河系中央伽马射线闪光所需的暗物质粒子相同。这种重叠促使一些天体物理学家认为他们可能找到了“二合一”的解释。

俄亥俄州大学天体物理学家、AMS数据研究论文合著者蒂姆·林登表示：“如果你告诉我，我们使用的背景模型是正确的，我一定会立马大叫‘暗物质！’。”如果AMS或者其它高空实验发现更重的反物质粒子，将进一步证明暗物质假设。维克勒说：“这将是一个确凿证据。”提到反质子测量结果时，林尼表示：“如果银河系中央的过量闪光卷土重来，我们有可能发现暗物质的第一个信号。”

盖亚卫星艺术概念图

在2018年4月公布盖亚卫星的观测数据后，科学家又进行了一系列努力，探测银河系的暗物质。天文学家发现银河系充斥着令人惊异的现象，包括暗物质团块线索，这一发现有助于科学家进一步了解暗物质的特性。

理论学家怀疑银河系栖身在一个巨大的球形暗物质光晕中。与正常物质一样，它们也在引力的作用下聚集在一起，形成团块。宇宙学模拟结果显示数千个大型暗物质团块环绕银河系，偶尔被中央的暗物质云吞噬。这个过程与银河系吞噬卫星矮星系类似。

艺术概念图，银河系的暗物质蓝色光晕

盖亚卫星的精确度是此前任何观测的100倍。在这颗高灵敏卫星的帮助下，科学家得以进一步洞察银河系。在盖亚所观测的10亿多颗恒星中，约99%的恒星距离从未得到精确测量。确定每颗恒星的位置和移动轨迹，有助于科学家描绘未知的银河系历史。普林斯顿大学的天体物理学家艾德里安·普利斯-威伦表示盖亚卫星的观测数据迫使科学家重新审视用于简化模型的某些典型假设。“我们已经知道这些假设是错误的，如今，盖亚卫星告诉我们它们错得有多离谱。”

银河系艺术概念图

绝大多数暗物质子结构据信只含有少量恒星或者没有恒星存在，导致很难探测暗物质，但盖亚卫星在GD-1发现了一个线索。GD-1是2006年发现的一个长恒星流，连绵半个北天。盖亚卫星让普利斯-威伦和哈佛-史密森尼天体物理学中心的天文学家安娜·博纳卡深入研究GD-1。他们分析了银河系潮汐场如何瓦解球状星团，以及产生的碎片如何揭示暗物质的分布。

2018年11月，普利斯-威伦和博纳卡以及另外两位科学家在GD-1发现了一个独特缺口，可能是5亿年前与一颗大质量天体遭遇后留下的伤疤。由于这个天体的闯入，这条恒星流在引力拖拽的影响下发生了断裂。

从侧面看，银河系好似一个略微弯曲的车轮。这个“宇宙车轮”的直径在10万光年左右，厚5000光年，一个明亮的球形凸起环绕中央

博纳卡表示：“最有可能的‘罪魁祸首’是致密的暗物质团块，其质量可能在太阳的100万倍到1亿倍之间。”相关估算对创建暗物质的物理学模型具有重要意义。如果能够确定暗物质粒子的质量，科学家便可了解它们的移动速度以及所能形成的团块规摸。GD-1闯入者的规摸处在一个有趣的范围，能够排除掉质量较小的暗物质团块候选者。

博纳卡和她的研究小组当前的兴趣点是，利用盖亚卫星观测数据确定这个远古暗物质团块的轨道。如果能够确定它的当前方位，科学家有望探测到它对其它物质的引力影响。此外，科学家也可以“训练”伽马射线望远镜，寻找暗物质彼此湮灭或者衰变的证据。这些过程都会产生高能光子。在伽马射线望远镜的帮助下，科学家能够对暗物质进行进一步观测，揭示这种不可见物质的物理特性。